電池時代

 電池時代（上）誰是取代鋰的新主角？

      隨著地球變暖威脅的迫近，全球下決心在2050年之前實現溫室氣體凈零排放。純電動汽車（EV）和家庭生活將積極使用替代化石燃料的可再生能源電力，這就需要大量的蓄電池。不過，就算擁有性能卓越的鋰離子電池，也難以高枕無憂。因為即便鋰電池是蓄電池的「王者」，在存儲電力的容量和價格方面也日趨面臨極限。2030～2040年，全球被認為將迎來「電池時代」，日本經濟新聞策劃了一組這一時代主角的新一代電池的研發進展。

      新型電池産生電力的離子採用與鋰不同的氟。因此被稱為氟化物離子電池。

      氟因牙膏而被人們熟知，3個氟原子和鐵結合，首先製成電極。蓄電容量為每克579毫安時。如果製成電池，容量有望達到鋰離子電池的3倍。這可以讓純電動汽車的續航距離延長，如果維持電池的大小不變，還有望讓純電動汽車價格降低2成。

      容量之所以迅速增加，是因為在正極和負極之間移動的氟化物離子能通過電線同時獲得3個電子。接近於一次性搬運和儲存多件貨物的情形。相反，鋰離子能攜帶的電子僅為1個。

      除此以外，據稱氯和溴也很有潛力。3個離子分別與鉍離子結合之後，同樣能使電子移動。相關研究已獲得日本新能源産業技術綜合開發機構（NEDO）的支援。

   

據日本地球環境産業技術研究機構（RITE）統計，要在2050年之前實現溫室氣體凈零排放，社會的電動化不可或缺。至少需要累計達到最高100萬億瓦時的蓄電池。

電池時代(中) 利用空氣的終極電池
 利用空氣産生電力的終極蓄電池或許會在不遠的將來實現，這一前景已經浮現。其名稱為空氣電池。與以往的電池不同，不需要電極，重量也僅為現有的鋰離子電池的5分之1。包括韓國和中國企業在內，開發競爭正日趨激化。兼具輕量和大容量的蓄電池將成為力爭在2030年代以後普及的飛行汽車不可或缺的動力源之一。
 在日本，每年因道路擁堵而造成的經濟損失高達10萬億日元以上。在城市裏，有時行駛10公里要花30分鐘，很浪費時間。據世界衛生組織（WHO）統計，全球每年有約130萬人死於交通事故。

  

      雖然至今沒有稱得上王牌的解決對策，但能成為選項之一的是利用比道路更寬闊的空中。不過這一選項目前令人感覺像是無稽之談。這背後也是因為我們尚無法獲得足以使汽車懸浮在空中的輕量且優質的蓄電池。今後的時代自然也不可能依靠燃燒化石燃料去飛行。

 

      最高時速達到40～50公里——從事飛行汽車開發的日本企業SkyDrive（位於東京新宿區）計劃在2025年前後使雙座款的飛行汽車應用於計程車和緊急送醫。這需要不斷延長據稱目前僅為約為5～10分鐘的飛行時間。

 

      熟悉電池研究的日本企業APB（位於東京千代田區）的首席執行官（CEO）堀江英明表示「汽車要飛行約1小時，需要每公斤450瓦時以上容量的電池」。對於鋰離子電池來説，300瓦時將成為天花板。如果能降低電池的重量，表面上的容量將增加，但佔鋰電池整體重量近一半的電極（正極）將對輕量化構成阻礙。

 

      在此背景下，輪到空氣電池的登場。通過大膽改變結構，利用從空氣中獲得的氧氣取代正極，然後與利用鋰金屬製造的電極結合。只要獲得外界的空氣，就成為電池的材料。如果正極被取消，鋰金屬將佔更大空間。這樣就具備在重量輕的同時鋰增多，進而能增加蓄電容量的優點。

在産生電力之際，從電池縫隙進入的作為「幫手」的氧氣會在容器的碳和樹脂之中與鋰離子結合。氧原子容易形成氧化物的團塊，將合力驅動電子。借助充電，完成工作的氧原子離開團塊，與鋰離子分別，重新流向外部。

電池時代（下）削減能耗的幕後推手
   
      純電動汽車（EV）充電一次可行駛的距離在最近10年裏延長至4倍。電池變得更大，「續航距離短」這一弱點看起來已經解決。但在性能進一步提高的未來，由於邁向「CASE（互聯汽車、自動駕駛、共享、電動化）」，耗電量將進一步增加。即使電池的進步難以取得進展，經過日趨打磨和持續創新的馬達與電線等也將成為幕後推手，支撐純電動汽車持續走向進步。
全球獨一無二的「新車」的時速達到100公里——這讓2014年獲得諾貝爾物理學獎的日本名古屋大學的教授天野浩加深自信。

  

      天野教授等試製的純電動汽車利用氮化鎵製造了用於電流控制的逆變器(Inverter)。這是借助獲得諾貝爾獎的藍色發光二極管（LED）的研究而培植出的新一代材料。

 

      逆變器將電池産生的直流電轉變為馬達等使用的交流電，還能調節電壓。氮化鎵即使承受高電壓也不會喪失半導體的性質。

 

      由於可以使元件的厚度變薄，與以往的矽材料相比，電阻降至10分之1。經過計算，可減少因電流轉換而損失的電力的63％。

 

      天野教授表示「如果純電動汽車搭載的全部逆變器都改用氮化鎵，可將續航距離延長15％」。

 

      將來還存在將電阻降至100分之1的可能性。將開發低價製造大型元件的技術，到2020年代後半期以後推向實用化。

 

      諾貝爾獎學者積極展開行動，是因為脫碳化的舉措變得刻不容緩，不能僅僅依賴蓄電池的發展。

 

      三菱汽車2009年推出的世界首款量産型純電動汽車「i-MiEV」充電一次可行駛的續航距離僅為160公里。而如今，高檔車特斯拉Model S的續航可超過600公里。日産汽車的LEAF（中國名：聆風）也能行駛450公里。