目前市場對於大型電池的需求日益增加,主要受到今後電動車輛將達到普及的預期心理,以及2011年日本311大地震發生以來,對於定置用蓄電池系統之大型二次電池的關注逐漸提升的影響所致。目前電池的研究對象,多是以應用在攜帶型機器的二次電池為主軸。不過,近來對於機器設備所使用電池容量的要求日高,以及對於性能的要求日趨嚴格,因此研發方向逐漸轉向以汽車及定置用大型電池用途為主。
針對應用在汽車及定置用的大型電池,高容量化是最基本的要求,此外,對於長壽命化以及高安全性的要求也相當嚴苛(圖一)。於使用壽命方面,一般應用在攜帶型機器的鋰離子二次電池,若可維持兩年左右的產品替換週期即可,不過對於大型的電池,必須以長達10年或20年的長期使用壽命為考量前提。依據市調公司富士經濟的調查結果顯示,雖然現今的電動車(EV)每年僅有數萬台的市場,不過預期至2020年市場將出現擴大,推估至2030年將擴大至1374萬台的市場規模。於定置用大型電池的市場方面,配合再生能源普及的步調,預期使用量也將以指數函數的比例持續增加。
在二次電池市場急速擴大的同時,有專家揭露出將可能浮現資源問題的疑慮。特別針對稀土元素(Rare Earth)中的鋰(Li),有電池相關業者提出,在某個階段將出現原料供應不足的問題,並說明該想法已是業界的共識。此外,以往將鈷(Co)與鎳(Ni)等昂貴的材料用作為鋰離子二次電池正極材料,目前也有業者開始進行不使用鈷、鎳等材料的二次電池研發。
2012年11月於日本福岡舉行的「第53屆電池討論會」,是日本國內最大的學術研討會,會中針對鋰離子二次電池的高容量化,以及次世代正極/負極材料提出多項研發成果。
電池性能中最重要的要素為高容量化,被視為「次世代鋰離子二次電池」的全固體電池與鋰空氣電池的相關成果報告也相當活躍。以在2020~2030年實現超過500Wh/kg能量密度的目標為前提,目前電池業者正積極地進行相關的基礎研究(圖二)。不過,想要一舉研發出擁有能量密度500Wh/kg的次世代電池,並非一蹴可幾的事情,因此有業者預先設定先期達成之目標,設定在2015 ~2020年,將先行研發出能量密度為現行兩倍的200~300Wh/kg改良型鋰離子二次電池。
針對改良型的鋰離子二次電池,預期可在正極材料與負極材料,使用容量較高的材料來取代,以期能達到設定的目標。於正極材料部分,利用有機化合物的發表篇數相當多,該電池雖然使用價格低廉的有機化合物,一般來說不易建立較佳的循環特性,不過在第53屆電池研討會中,有研究單位展示二次電池可超過三萬次動作的驚人研發成果。
圖四、改變電解液所測得的充放電循環特性
於負極材料方面,有研發團隊提出可超越現行矽(Si)與錫(Sn)等材料兩倍以上,可達到比容量超過1000mAh/g的候補材料。不過在長壽命化方面困難度較高,在本次的研討會中也有多篇期待可解決該課題的發表內容。以下將簡介鈉離子二次電池、全固體電池、有機二次電池等次世代二次電池的研發現況與方向-----本文為部分節錄資料,完整內容請點選下方檔案瀏覽。
※本文承日經BP社Nikkei Electronics 雜誌授權轉譯,特此深謝。原文著作權為Nikkei Electronics所有,禁止轉載。Nikkei Electronics 為數位時代的電子、資訊、通訊技術綜合雜誌,更多豐富、精彩內容,請上:http://nebook.com.tw/?cat=110