日本湯淺公司研發(fā)容量超8倍的新電池
2023-05-17 來自: 王澤龍 182 1045 0914
日本湯淺公司研發(fā)容量超8倍的新電池
2021年，日本湯淺蓄電池公司與關(guān)西大學(xué)合作開發(fā)出一款新型鋰硫電池。
據(jù)實(shí)驗(yàn)人士透露，理論上，在與傳統(tǒng)鋰電池同尺寸的情況下，這款新型鋰硫電池的容量可達(dá)傳統(tǒng)鋰電池的8倍!并且湯淺公司還表示，在未來的2023年，其生產(chǎn)的鋰硫電池質(zhì)量能量密度可以提升至500 Wh/ kg!
倘若鋰硫電池普遍應(yīng)用，未來智能手機(jī)的使用時間將會提升8倍，電動汽車也會跑得更遠(yuǎn)。
客觀層面來看，日本的確開發(fā)出了一個“跨時代發(fā)明”。
截止至2022年，中國汽車出口額已經(jīng)超過德國，穩(wěn)居世界第二，其中大比重都是新能源汽車。可以說，在從汽油車轉(zhuǎn)向電動汽車的“能源革命”中，中國一直位于研究前列。
那么，面對日本新型電池的誕生，我們做好準(zhǔn)備了嗎?
我國又將用什么樣的方式來應(yīng)對技術(shù)革命帶來的挑戰(zhàn)呢?
日本所研發(fā)的容量超8倍的新電池，又能否普及?
【鋰硫電池——未來的主旋律?】
要回答上面的問題，首先就要弄明白日本發(fā)明的高能量密度鋰硫電池，究竟先進(jìn)在哪里。
提到鋰電池，現(xiàn)在的人應(yīng)該并不陌生，鋰電池相關(guān)產(chǎn)品是我們生活的必需品。
與傳統(tǒng)硫酸電池相比，鋰電池最大的特點(diǎn)就是“輕”，憑其超低的電池質(zhì)量，很多移動設(shè)備上都可以裝配鋰電池。目前，鋰電池已經(jīng)在電動汽車、智能手機(jī)等產(chǎn)品中得到普及。
不過，鋰電池存在充電時間長、電池壽命短等問題。
拿我們最熟悉的電動汽車為例，電動汽車雖然在能源供應(yīng)上代替了汽油，讓消費(fèi)者節(jié)省了不小的開支，但其充電問題一直是司機(jī)們的痛點(diǎn)。
舉個例子，駕駛電動汽車跑高速的時候，一次充電就需要花2~3個小時，還是在充電樁沒有排隊(duì)的情況下。如今國內(nèi)充電樁數(shù)量有限，每到節(jié)假日出行高峰期，就會出現(xiàn)“在充電樁處排隊(duì)充電”的情況，這樣一來就又耽誤不少時間。
因此，比起隔壁汽油車“加完油就能跑”的特點(diǎn)，電動汽車的實(shí)際應(yīng)用還存在一些局限性。
而日本發(fā)明的高能量密度鋰硫電池，就可以解決這一棘手問題。
與傳統(tǒng)鋰電池相比，鋰硫電池是一種以硫作為正極活性物質(zhì)的蓄電池。相同質(zhì)量下，鋰硫電池可以釋放普通鋰電池8倍的電能。
這樣的提升是什么概念呢?
舉個例子。
目前市場的新能源電動汽車在充滿電后，可以行駛300~400公里。而如果將電池改為鋰硫電池，那么充電后，汽車則可以行駛2400~3200公里!基本能解決大部分長途開車的需要了。
同樣，如果將鋰硫電池應(yīng)用到手機(jī)電池上，會提升多少呢?
目前智能手機(jī)一次充電的平均使用時間是8~12小時，而在更換鋰硫電池后，使用時間將變?yōu)?4~96小時，相當(dāng)于普通人3~4天的使用量。
而且，鋰硫電池的先進(jìn)之處在于，不但電池容量大了，充電速度也會變得更快。
對此，關(guān)西大學(xué)研究出了高質(zhì)量能量密度的解決方案。用簡單的話來說，只需要花費(fèi)和鋰電池充電差不多的時間，就可以充滿同質(zhì)量的鋰硫電池。
因此，一旦鋰硫電池得到普及，不僅平時日常生活用品會得到質(zhì)的提升，而且電能源將會運(yùn)用到更多移動設(shè)備上，例如公交車、纜車、重型工業(yè)載具、甚至是地鐵、輕軌列車等大型公共設(shè)施。這聽起來是不是很棒?
雖然日本在新能源汽車領(lǐng)域近幾年有些落后，但這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，有可能會改變世界電池使用的發(fā)展，看起來前景一片大好。
有國外媒體曾這樣評價(jià)高能量密度鋰硫電池，稱它是“新能源產(chǎn)業(yè)未來的主旋律”。
那么，情況真的是這樣嗎?
事實(shí)上，高能量密度鋰硫電池要普及到日常生活中，還有很長的一段路要走。
主要問題在于電導(dǎo)效率低、中間產(chǎn)物易溶于電解液的問題。這就意味著鋰硫電池在經(jīng)歷反復(fù)充電后，其電能轉(zhuǎn)化率，可能會大幅下降，其負(fù)極表面容易產(chǎn)生枝晶。
當(dāng)然，日本湯淺公司也注意到了這一問題。
在他們的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品中，電池中間加入了有微孔的碳粒，可有效解決中間產(chǎn)物溶于電解液的問題。但這里說的“有效”只是比之前好，到市場應(yīng)用級別還有很大一塊距離。
更嚴(yán)重的是，大容量鋰電池會存在更高的安全隱患。
不管是鋰電池還是鋰硫電池，其易爆的屬性依然沒有得到解決。
目前，電動汽車自燃、手機(jī)爆炸等現(xiàn)象仍然頻繁出現(xiàn)在大眾視野中，一旦鋰硫電池的容量翻升數(shù)倍，其爆炸威力以及財(cái)產(chǎn)損失可能也會翻倍。如果消費(fèi)者在使用更先進(jìn)產(chǎn)品的同時，還要承擔(dān)更致命的風(fēng)險(xiǎn)，也許就不能算是技術(shù)進(jìn)步了。
【中國是否要著急?】
分析完高能量密度鋰硫電池的劣勢后，我們來回答下一個問題：中國應(yīng)當(dāng)如何面對挑戰(zhàn)?
先說結(jié)論，我們應(yīng)該著急，但也沒必要太著急。
自2015年以來，中國進(jìn)入了動力電池產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)支持階段，國家政策相關(guān)文件發(fā)布越來越密集，力度越來越強(qiáng)，方向也逐漸明確，所發(fā)布的內(nèi)容涵蓋產(chǎn)業(yè)更加全面。這是一個好兆頭。
但是新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有我們想象的那么簡單。
從動力電池的上游產(chǎn)業(yè)上分析，中國鋰電池在正極材料與負(fù)極材料方面都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全自主研發(fā)，這也是為什么中國汽車產(chǎn)業(yè)能夠在2022年實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的根本原因之一。
但是目前市面上，國產(chǎn)鋰電池主要以磷酸鐵鋰電池為主，鋰硫電池尚在開發(fā)階段。
之所以鋰硫電池沒有實(shí)現(xiàn)全面國產(chǎn)，主要問題在于蓄電池的一個組件——隔膜。
原電池的化學(xué)原理各國都很清楚，但能讓優(yōu)質(zhì)的正負(fù)極材料能夠充分發(fā)生原電池反應(yīng)，隔膜起著至關(guān)重要的作用(隔膜關(guān)乎中間產(chǎn)物與電解液是否會融合)。
在隔膜技術(shù)領(lǐng)域，由于技術(shù)壁壘要高，國內(nèi)仍然處于兩極分化的競爭格局，目前的蓄電池生產(chǎn)公司隔膜主要依賴日韓進(jìn)口。即使國內(nèi)蓄電池產(chǎn)率逐年上升，但短期內(nèi)，隔膜仍需進(jìn)口。
因此日本能夠研發(fā)出高能量密度的鋰硫電池，就在于隔膜生產(chǎn)存在優(yōu)勢。
由此可知，在上游層面，中國新能源產(chǎn)品的發(fā)展關(guān)鍵就在于隔膜的研發(fā)。一旦隔膜技術(shù)存在突破，國產(chǎn)鋰硫電池不是不可能實(shí)現(xiàn)。
除了以上所述的技術(shù)方面原因，鋰電池廢料的逐年增多正在慢慢影響我國的環(huán)境。
據(jù)新華社報(bào)道顯示，截止到2020年，中國廢鋰離子電池產(chǎn)量已經(jīng)突破了52.81萬噸。隨著新能源汽車在中國市場銷量增加，未來報(bào)廢鋰電池?cái)?shù)量將會越來越多，甚至出現(xiàn)指數(shù)級增長。
在新能源應(yīng)用的下游產(chǎn)業(yè)中，鋰離子電池廢料回收仍然是一個尚待解決的問題。如果一個產(chǎn)品在報(bào)廢后會污染環(huán)境，不能得到重新再利用，可能會導(dǎo)致“功在當(dāng)代，罪在千秋”的后果。
當(dāng)然，廢鋰離子電池回收問題，不僅僅是我們要面對的問題，也是世界共同需要面對的難題，在這一點(diǎn)上，國內(nèi)與國外都是幾乎處于同一起跑線上的。
最后是消費(fèi)者能力所存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
目前新能源汽車領(lǐng)域仍然處于市場初級階段，用電成本包括“時間成本、沉沒成本”等額外開銷以外，電動汽車的開銷并不比燃油汽車便宜，這意味著電動汽車在短時間內(nèi)仍然無法全面取代傳統(tǒng)燃油汽車。
目前業(yè)內(nèi)平均成本是1.4~1.5元/Wh，中國在2020年剛剛實(shí)現(xiàn)1.5元/Wh的指標(biāo)，如果電動汽車想要全面與燃油汽車競爭的話，其成本至少需要下降到0.6~0.7元/Wh，也就是還要再下降一半。同時，這也與中國的消費(fèi)能力息息相關(guān)。
成本降低需要更先進(jìn)的技術(shù)及更完善的生產(chǎn)規(guī)模，在這方面，大家還有很長的一段要走。
因此，綜合以上所述的問題，我國在新能源領(lǐng)域發(fā)展可能真的需要“著急”一些，著急的地方在于關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)以及更完善的市場建設(shè)。
“不那么著急”的原因，則在于目前世界行業(yè)水平良莠不齊，領(lǐng)先技術(shù)產(chǎn)業(yè)公司發(fā)展水平近乎相同，我國并沒有明顯的落后。
至于日本已經(jīng)研發(fā)出了高能量密度鋰硫電池，我們可以認(rèn)為這是一項(xiàng)突破性的研發(fā)技術(shù)，但從研發(fā)到普及市場，需要一個國家從科研到工業(yè)再到市場三方面水平的全面上升，并不是一個科研成果就能解決的問題。
因此，想要實(shí)現(xiàn)全面普及難度依舊很大。
那么，目前我國有著怎樣的解決方案呢?
【我國的解決方案】
按照網(wǎng)絡(luò)語言來解釋，中國的“科技樹”和日本的“科技樹”是兩條完全不同的分支。
任何國家的技術(shù)發(fā)展，都是基于本國已有的技術(shù)成果遞進(jìn)研究的。中國的材料學(xué)發(fā)展和日本的材料學(xué)發(fā)展方向也是截然不同的。
就像文章開頭說的，面對電動汽車充電時間長得不方便影響，日本選擇的是研發(fā)容量更大的電池。而我國目前采取的解決方案與日本截然不同。
目前我國需要考慮的是充電樁建設(shè)的完善，以及“模塊化電池”供應(yīng)問題。
所謂模塊化電池，是一種可拆卸的蓄電池，電動車用戶可以不用為電動車充電，當(dāng)汽車沒電時，直接到指定地點(diǎn)更換電池就可以了。
這樣既能解決漫長的充電問題，又能解決大容量電池所帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)隱患。
另外，我國還在思考：鋰電池真的是人類電池使用的最終形態(tài)嗎?
自從鋰電池在世界普及后，世界鋰礦資源價(jià)格大漲，甚至出現(xiàn)供不應(yīng)求的狀況。那么如何解決這種問題?解決問題的最好辦法，就是跳出問題本身。
如果未來鋰礦資源捉襟見肘，那么到那時候再轉(zhuǎn)變研究方向，恐怕就為時過晚了。
因此我國頭部動力電池企業(yè)不僅在鋰電池方面做研究，還在研究新的能源解決方案以及用其他材料制造的蓄電池。這些科技可以直接跳出鋰電池內(nèi)卷的問題本身，科技一旦實(shí)現(xiàn)，便能出現(xiàn)突破性的市場結(jié)果。
【結(jié)尾】
一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到我們的日常生活，需要一段復(fù)雜的經(jīng)歷。
也許日本在短時間內(nèi)會在鋰電池方面存在新的突破，但從長遠(yuǎn)方面來看，一個國家的優(yōu)勢是綜合的，這里包括科研技術(shù)優(yōu)勢、市場優(yōu)勢以及工業(yè)優(yōu)勢、人文優(yōu)勢等等。
所以在解決問題時，我們不單單要思考如何在短期內(nèi)追上其他國家的節(jié)奏，還要思考如何跳出原有的思維去爭取更廣闊的藍(lán)海。
因此，我國的技術(shù)需要不斷升級，但也不需要因?yàn)閯e國有所突破便立刻跟風(fēng)。保持一個淡定的心態(tài)，順應(yīng)自然，慢慢發(fā)展，有時會有更好的結(jié)果。