2010年,釣魚島海域發(fā)生中日撞船事件后,中國開始從實質(zhì)上限制稀土出口。稀土是混合動力車用電動機和有機EL顯示器等高科技產(chǎn)業(yè)必不可少的資源,也被稱作“產(chǎn)業(yè)的維生素”。
中國這個世界最大的稀土生產(chǎn)國開始限制出口,采購危機隨之出現(xiàn),稀土價格飆升。磁鐵使用的釹和鏑的價格在2011年7月達(dá)到頂峰,是2007年的30倍以上(瑞穗實業(yè)銀行產(chǎn)業(yè)調(diào)查部的調(diào)查結(jié)果)。不僅是日本,全世界的企業(yè)都遭受了沉重打擊。
危機尚未結(jié)束
之后,隨著回收再利用技術(shù)和不依賴稀土的產(chǎn)品開發(fā)的進步,中國的稀土價格逐漸回落。2014年,世界貿(mào)易組織(WTO)認(rèn)定中國實施的出口限制違規(guī)。2015年1月,中國政府做出了撤消出口限制的決定。
但稀土等稀有元素的危機并未就此結(jié)束。稀土只是31種稀有金屬中的一部分,其他元素也完全有可能遇到出口限制之類的問題。
鋰也是一種常用的稀有金屬,主要應(yīng)用于電池。開發(fā)鋰電池的目的,是為了滿足手機和筆記本電腦對于高容量、小型電池的迫切需求。1991年,索尼在全球率先實現(xiàn)了鋰電池的商品化,橫掃了整個市場。不僅是移動設(shè)備,還得到了固定式電池和車載電池等廣泛用途的采用。富士經(jīng)濟預(yù)測,到2018年,全球鋰電池市場將擴大到2萬億日元的規(guī)模。
日本的鋰全部依靠從南美等地進口。隨著市場擴大,確保未來資源供應(yīng)和成本問題逐漸顯現(xiàn)。
而且,鋰電池除了鋰之外,還使用另一種稀有金屬——鈷。NTT設(shè)施綜合研究所的調(diào)查顯示,利用現(xiàn)行技術(shù)生產(chǎn)1輛純電動汽車(EV),大約要使用20kg的鋰和大約40kg的鈷。即便把全球的產(chǎn)量都供應(yīng)給EV,每年產(chǎn)出的鋰只夠700萬輛車使用,而鈷僅夠100萬輛車使用。隨著再生能源的普及,如果大型蓄電池的需求增加,資源枯竭和價格暴漲不可避免。
面對這種情況,政府不能袖手旁觀。作為國家的危機管理措施,開發(fā)擺脫稀有元素依賴的技術(shù)——從2008年開始,日本啟動了名為“元素戰(zhàn)略項目”的全國性研究項目。后鋰電池的開發(fā)也是項目之一。
該項目提出用鈉來替代鋰。在元素周期表上,鈉就在鋰的下方,性質(zhì)與鋰相似。鈉最大的好處是在海水等資源中含量豐富,是“取之不盡”的元素。
不過,鈉離子電池的開發(fā)卻長期不受關(guān)注?!坝免c做電池,根本行不通”,盡管材料的性質(zhì)與鋰相似,但材料化學(xué)專家之間依然存在這種認(rèn)識。離子電池是利用離子在正極與負(fù)極之間的移動進行充放電的。在這個過程中,離子需要順暢地進入正極與負(fù)極的材料之間。鈉離子的體積大約是鋰離子的兩倍,很難進入電極材料,按照一般觀點,鈉離子無法在實用中實現(xiàn)充放電。因此,直到1990年代,研究人員都幾乎忽視了鈉離子電池。
然而,日本的研究人員顛覆了這一固有觀念。2009年,隨著材料開發(fā)的進步,鈉離子電池的開發(fā)穩(wěn)步推進。東京理科大學(xué)教授駒場慎一(當(dāng)時為副教授)的研究小組,通過在負(fù)極使用碳系材料,在世界上首先成功實現(xiàn)了鈉離子電池的重復(fù)充放電。打破過去10次左右的充放電極限,開發(fā)出了可以重復(fù)使用幾百次的電池,為實用化開辟了道路。
以這項研究為契機,全球掀起了研究鈉離子電池的競爭。論文數(shù)量在2009年之后快速增加。“全球發(fā)表的論文數(shù)量估計是以前的幾百倍”(駒場教授)。
鈉離子電池有三大優(yōu)點:
一是原料成本低。不僅不使用鋰、鈷等稀有金屬,而且通電的基板可以使用鋁,而不是銅。因為不使用高價材料,所以“與鋰電池相比,成本至少可以減少1成,順利的話可以減少3成”(駒場教授)。
二是可以沿用現(xiàn)有的生產(chǎn)工序。鈉離子電池的工作機制與鋰離子電池相同,電池企業(yè)的現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備可以直接用來生產(chǎn)鈉離子電池。因為基本不需要設(shè)備投資,所以各家企業(yè)容易將其作為替代電池開展生產(chǎn)。
東京大學(xué)研究生院的山田淳夫教授等人開發(fā)的負(fù)極的示意圖。由鈦(紅)和碳(灰)組成的片狀物質(zhì)
三是可以快速充放電。駒場教授說:“在原理上,鈉離子電池的充電時間可以縮短到鋰離子電池的1/5?!敝灰獙崿F(xiàn)了快速充電,自然就能縮短EV的充電時間。東京大學(xué)研究生院教授山田淳夫等人的研究小組發(fā)現(xiàn),鈦和碳制成的片狀化合物會吸附、釋放大量的鈉離子。以這種化合物為電極試制的電池,即使反復(fù)進行快速充放電,性能也不會劣化。山田教授預(yù)測:“鈉不會馬上取代鋰,而是會在適合其特性的用途,作為鋰的一種替代品,逐漸得到采用。”
企業(yè)在暗中持續(xù)開發(fā)
為了使具備上述優(yōu)點的電池實現(xiàn)商用化,很多家民營企業(yè)正在進行開發(fā)。例如,住友電氣工業(yè)在2013年開發(fā)出了即使電池內(nèi)部溫度較低也能工作的鈉離子電池。因為無需散熱空間,所以體積成功縮小到了鋰電池以下。目標(biāo)是應(yīng)用于住宅用蓄電池和純電動汽車。
豐田雖然沒有公布消息,但估計也在一直在為HEV和PHEV開發(fā)鈉離子電池,作為鎳氫電池和鋰電池的替代品。在2015年5月召開的日本電氣化學(xué)會的電池技術(shù)委員會上,該公司的電池研究部宣布,為鈉離子電池的正極開發(fā)出了新材料。
三菱化學(xué)一直在與東京理科大學(xué)的駒場教授開展合作研究?!熬唧w名稱不能透露,包括海外企業(yè)在內(nèi),共有4、5家企業(yè)正在參與合作研究”(駒場教授)。
鈉離子電池雖然是企業(yè)競相開發(fā)的熱門,但也存在課題:電池中儲存的能量比鋰電池少。因為鈉比鋰重,所以同樣重量的電池,鋰電池的容量更大。
經(jīng)過近些年的開發(fā)競爭,鈉離子電池的儲能量達(dá)到鋰的90%,已經(jīng)可與之并肩。不過,駒場教授說:“如果沒有新的突破,實用化很難。不過我認(rèn)為是可以實現(xiàn)的?!边@樣說的原因是,鈉離子電池的正極和負(fù)極可使用的材料種類繁多。
鐵、錳、鎳、碳,等等,不僅可使用的材料多,而且,通過以不同的配比,或在不同溫度下進行混合,電池的性能會發(fā)生改變。鋰電池的材料經(jīng)過了30年的優(yōu)化,而鈉電池掀起研究競爭才不過5年左右,自然隱藏著巨大的可能性。
從鉛電池、鎳氫電池到鋰電池,電池產(chǎn)業(yè)一直被視作日本的看家本領(lǐng)。但近年,在韓國等地的企業(yè)的沖擊下,日本廠商的份額正漸漸流失。鈉離子電池作為新一代電池贏得了關(guān)注。為了不使用稀有金屬,在國家戰(zhàn)略的層面上實現(xiàn)危機管理,也為了讓日本的電池產(chǎn)業(yè)重返世界巔峰,鈉離子電池的商用化進程正在加快腳步。