后锂电池时代：哪种电池技术会脱颖而出

　　近几年，大型电池的市场需求日益高涨。对此起推动作用的包括今后有望普及的纯电动汽车，以及2011年3月11日发生东日本大地震后备受关注的定置用蓄电系统中使用的大型充电电池。

　　此前的研发主角一直是用于便携终端的充电电池。但是，由于每台产品所需要的电池容量和性能大大超出便携用途，所以用于汽车及定置用途的大型电池逐渐成为研究的主要对象。

　　汽车和定置用途等使用的大型电池除了便携终端用电池所要求的高容量化之外，对长寿命化和高安全性也有很高的要求（图1）。比如寿命，便携终端用锂离子充电电池只要能在产品约为2年的换购周期内维持性能即可。而大型电池则必须保证10年或20年的更长期间。

　　图1：面向汽车用途和定置市场发生变化的电池开发

　　汽车用途和定置市场今后将迅速扩大，因此电池开发也开始发生巨变。不仅是高容量化，从安全性和寿命的角度出发，全固体电池开始受到关注。此外，由于资源问题，钠离子电池的开发加速。

　　据调查公司富士经济的调查结果，虽然纯电动汽车（EV）目前的市场规模为每年几万辆，但"2020年以后会逐渐扩大，到2030年全球的EV将达到1374万辆"。预计定置用途的用量也将随着可再生能源的普及而成倍增长。

　　充电电池市场激增的负面影响是可能出现资源短缺问题。尤其是稀有金属锂（Li），业内一致认为"总有一天锂也会出现供应短缺的问题"（某电池相关人士）。

　　另外，越来越多的研究人员开始开发不使用钴（Co）和镍（Ni）等高价材料的充电电池，这些材料目前多被用于作为锂离子充电电池的正极材料。

　　关于在电池的性能中最为重要的大容量化指标，被称为"后锂离子充电电池"的全固体电池和锂空气电池纷纷发表了取得的成果，这些发表十分受欢迎，甚至出现了站着听讲的听众。从发表内容中可以了解到，为了在2020～2030年前后实用化，并实现500Wh/kg以上的能量密度，电池开发人员正在推进基础研发（图2）。

　　图2：计划2020年实现300Wh/kg的能量密度

　　目前推进的材料开发的目标是，2020年在确保安全性的同时使能量密度达到300Wh/kg。2030年使Li-S电池和锂空气电池等500Wh/kg以上的新一代电池实现实用化。

　　不过，要想一下子实现具备500Wh/kg能量密度的新一代电池并非易事。因此，首先打算在2015～2020年前后实现目前约2倍能量密度、即200～300Wh/kg的改良型锂离子充电电池也在推进开发。

　　改良型锂离子充电电池打算将正负极换成更高容量的材料来实现。正极材料方面，采用有机化合物的有机充电电池领域的发表每次都会增加。这种电池可以利用低价有机化合物，但此前循环特性存在课题，不过在本届电池研讨会上有报告宣布，充放电3万次以上仍可以作为充电电池使用。

　　负极材料有硅（Si）和锡（Sn）等比容量为目前2倍以上即1000mAh/g的候补材料。长寿命化方面的难度最高。

　　从正极到固体电解质

　　钠离子充电电池的发表数量激增至3倍是有原因的。那就是，最近数年钠离子充电电池的特性得到大幅提高（图3）。此前采用钠离子的充电电池只有日本碍子（NGK）已经商用化的钠硫（NAS）电池以及瑞士MES-DEA公司的钠镍氯化物充电电池。不过，这些电池组合使用了熔解钠和陶瓷固体电解质，因此需要300℃的工作温度。

　　图3：钠离子充电电池的研究开发日益活跃

　　钠离子充电电池可在常温下稳定工作，因此探索高容量材料的研究开发日益活跃。

　　可用于钠离子充电电池的正极材料、负极材料及电解液的候补材料等从2005年前后开始陆续发现，现在已经具备可在常温下实现毫不逊色于锂离子充电电池容量的实力。

　　2005年，九州大学的研发小组宣布，通过在正极材料中采用α-NaFeO2，能实现可逆性钠离子的脱/嵌，钠的平均电压高达3.3V，由此开始受到关注。

　　可利用硬碳

　　更具有冲击力的是，负极材料通过采用硬碳也能实现钠离子的嵌入。此前一直作为锂离子充电电池主流负极材料的石墨无法进行钠离子嵌入。

　　另外，2009年春，东京理科大学驹场研究室发现了可用于硬碳负极而且充放电循环特性出色的电解液和添加剂，研究取得了大幅进展。

　　具体而言，研究了碳酸乙烯酯（EC）、碳酸亚丙酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）及碳酸二乙酯（DEC）等锂离子充电电池常用的碳酸酯类溶剂。发现在PC和EC:DEC的混合溶液中，能以200mAh/g以上的高容量实现100次以上的循环寿命（图4）。

　　图4：通过改变电解液提高充放电循环特性

东京理科大学通过将PC和EC：DEC用于电解液，实现了充放电循环特性出色的钠离子充电