此前充電電池在手機(jī)及筆記本電腦等便攜終端用途方面得到了不斷發(fā)展。在電動(dòng)汽車(chē)及定置用蓄電系統(tǒng)等多種用途需求高漲的形勢(shì)下，充電電池的研發(fā)也呈現(xiàn)出了多樣化趨勢(shì)。不僅是鋰離子充電電池，鋰離子電容器及氧化還原液流電池等新型蓄電裝置器件也開(kāi)始受到關(guān)注。

充電電池的開(kāi)發(fā)開(kāi)始發(fā)生巨大變化。其原因是，除了此前作為主流用途的便攜終端之外，用于電動(dòng)汽車(chē)及定置用蓄電系統(tǒng)等多種用途的機(jī)遇也在急劇增加。

有預(yù)測(cè)稱(chēng)，到2020年僅電動(dòng)汽車(chē)的年市場(chǎng)規(guī)模就會(huì)達(dá)到900萬(wàn)輛，鋰離子充電電池的產(chǎn)量需要提高至約相當(dāng)于目前市場(chǎng)規(guī)模的兩倍注1）。

注1）2020年HEV的年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到600萬(wàn)輛、EV及PHEV合計(jì)達(dá)到300萬(wàn)輛（銷(xiāo)量）時(shí)，假設(shè)每輛HEV平均需要1kWh容量、每輛EV和PHEV需要10kWh容量的鋰離子充電電池，電池年產(chǎn)量就需要達(dá)到36GWh。目前鋰離子充電電池的年市場(chǎng)規(guī)模為18GWh左右，因此僅電動(dòng)汽車(chē)用電池的市場(chǎng)規(guī)模就會(huì)達(dá)到目前的兩倍。

此外，受東日本大地震后特種事故的影響，整個(gè)日本出現(xiàn)了供電短缺，因而對(duì)定置用蓄電系統(tǒng)的需求急劇增加。在2011年10月舉行的“CEATECJAPAN2011”上，大型電子廠(chǎng)商紛紛展出了蓄電系統(tǒng)。盡管各企業(yè)均未正式開(kāi)始銷(xiāo)售，但都打算在2012年以后擴(kuò)大業(yè)務(wù)。

各種用途需要的性能不同

為了滿(mǎn)足快速擴(kuò)大的市場(chǎng)需求，充電電池的研發(fā)日益活躍。此前作為市場(chǎng)主流的便攜終端用充電電池，以旨在實(shí)現(xiàn)高容量化的研發(fā)為主。手機(jī)及筆記本電腦等要求電池具備的最重要性能是，充電一次可使用很長(zhǎng)時(shí)間。此前，人們一直認(rèn)為壽命達(dá)到“2年左右即可”，寧可犧牲壽命也要優(yōu)先實(shí)現(xiàn)高容量化。

但電動(dòng)汽車(chē)及定置用途要求電池具備的性能更加多樣（圖1）。比如，電動(dòng)汽車(chē)有混合動(dòng)力車(chē)（HEV）、插電式混合動(dòng)力車(chē)（PHEV）及純電動(dòng)車(chē)（EV）等多種車(chē)型。各種車(chē)型要求電池具備的性能也不同。

不僅是便攜終端，汽車(chē)及定置用途對(duì)電池的需求也不斷高漲。因而，要求電池具備的特性也隨之呈現(xiàn)出多樣化，除了高容量之外，還包括高輸出功率、長(zhǎng)壽命及高安全性等。

具體而言，HEV在加減速時(shí)需要大電力交換，因此高輸出功率的電池較為理想。而EV與便攜終端一樣，要求充電一次可行駛很長(zhǎng)的距離，因此必須實(shí)現(xiàn)高容量化。對(duì)電池容量的要求為HEV＜PHEV＜EV，而對(duì)電池輸出功率的要求為HEV＞PHEV＞EV。不過(guò)，電動(dòng)汽車(chē)與便攜終端相比，要求電池具有更長(zhǎng)的壽命及更高的安全性。

定置用途也一樣。以夜間儲(chǔ)存電力供白天使用的電網(wǎng)電力高峰期轉(zhuǎn)換（PeakShift）用途為代表，大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)要求電池具備非常大的容量。而用來(lái)抑制安裝量不斷增加的大規(guī)模光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電的輸出功率變化時(shí)，則必須使用對(duì)輸出功率變化具有較高耐性的高功率電池。而且，定置用途與電動(dòng)汽車(chē)用途相比，不僅要求電池壽命更長(zhǎng)，而且用于大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)時(shí)，必須具備發(fā)生火災(zāi)時(shí)不會(huì)燃燒的高安全性。高功率鋰離子電容器

隨著用途的不斷擴(kuò)大，除了此前的高容量化之外，各用途還迫切要求電池具備高輸出功率、高安全性及長(zhǎng)壽命等特性。今后鋰離子充電電池的改進(jìn)仍是開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，但估計(jì)有的領(lǐng)域會(huì)興起新的蓄電裝置（圖2）。

今后在各種用途中仍以鋰離子充電電池為主，但估計(jì)各種蓄電裝置會(huì)按不同用途區(qū)分使用，鋰離子電容器用于高輸出功率用途，氧化還原液流電池等用于大容量用途。

比如，HEV用途以及大規(guī)模可再生能源的輸出功率變動(dòng)平均化用途方面，功率高且壽命長(zhǎng)的鋰離子電容器的使用機(jī)會(huì)將會(huì)增加。此外，定置用大容量蓄電系統(tǒng)用途方面，可輕松實(shí)現(xiàn)大型化的氧化還原液流電池也備受關(guān)注。

關(guān)于鋰離子電容器與氧化還原液流電池，下面根據(jù)二者與鋰離子充電電池的不同，介紹一下兩種產(chǎn)品的特點(diǎn)（表1）。鋰離子充電電池利用的是鋰離子的脫離及附著反應(yīng)，因此可以組合多種正極材料與負(fù)極材料，研發(fā)候選對(duì)象較多。

電池及電容器的特點(diǎn)

而鋰離子電容器是雙電層電容器的一種。正極端利用雙電層效應(yīng)產(chǎn)生的靜電容量，而負(fù)極端則與鋰離子充電電池一樣利用伴隨鋰離子的氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的蓄電效應(yīng)注2）。

注2）鋰離子電容器的能量密度高于雙電層電容器的原因在于，單元的電壓及靜電容量增加。傳統(tǒng)電容器的電壓為2.5～3V左右，通過(guò)添加鋰離子，可使電壓上升至約4V。添加鋰離子時(shí)，負(fù)極蓄積的靜電容量高于以往的活性炭，整個(gè)單元的靜電容量可增至原來(lái)的約兩倍。因此，可將能量密度提高至3.5～5倍。

由此，使得鋰離子電容器既具備雙電層電容器的高功率及長(zhǎng)壽命優(yōu)點(diǎn)，又克服了雙電層電容器的能量密度低的缺點(diǎn)。

日本ACT、FDK、JMEnergy及新神戶(hù)電機(jī)等企業(yè)均已開(kāi)始投產(chǎn)鋰離子電容器。2011年10月，F(xiàn)DK與旭化成共同成立了鋰離子電容器合資公司，開(kāi)始正式開(kāi)展業(yè)務(wù)注3）。

注3）FDK與旭化成于2011年10月3日成立了從事鋰離子電容器業(yè)務(wù)的合資公司“旭化成FDK能源設(shè)備”。FDK的出資比例占51％，旭化成占49％。

可輕松實(shí)現(xiàn)大型化的氧化還原液流電池

氧化還原液流電池利用隔膜隔離兩種離子溶液，用泵使兩種溶液從儲(chǔ)液罐開(kāi)始循環(huán)流動(dòng)，設(shè)置在兩種溶液中的電極會(huì)分別進(jìn)行氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。目前，利用釩（V）價(jià)態(tài)變化的電池已達(dá)到實(shí)用水平。

日本的住友電氣工業(yè)從1985年開(kāi)始與關(guān)西電力合作進(jìn)行開(kāi)發(fā)，到2000年前后已有多個(gè)研究成果投入使用。但當(dāng)時(shí)多用于儲(chǔ)存夜晚電力供白天使用等高峰期轉(zhuǎn)換用途，只具有夜間與白天電費(fèi)差別帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)，因而無(wú)法增加銷(xiāo)量。

但最近，引入太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源已成趨勢(shì)，而且東日本大地震后電力短缺，高峰期轉(zhuǎn)換用途需求高漲，因而有觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，“氧化還原液流電池足可應(yīng)用于穩(wěn)定供電用途”（住友電工）。

氧化還原液流電池與鋰離子充電電池相比，雖然能量密度偏低，但由于提高輸出功率只需增設(shè)單元堆棧，提高容量只需增設(shè)釩溶液罐，因此很容易實(shí)現(xiàn)大型化。而且，還具有可準(zhǔn)確測(cè)量充電狀態(tài)的特點(diǎn)。

住友電氣工業(yè)2011年6月公開(kāi)的用于實(shí)證試驗(yàn)的氧化還原液流電池，配備兩個(gè)最大輸出功率為2kW的單元。額定輸出功率為2kW，該輸出功率可確保10kWh的容量。公開(kāi)的系統(tǒng)主要用于實(shí)證試驗(yàn)，該公司打算在實(shí)際應(yīng)用時(shí)以采用數(shù)MW或數(shù)MWh級(jí)的系統(tǒng)為目標(biāo)。高容量化仍為開(kāi)發(fā)主流

各領(lǐng)域?qū)⑷绾蚊闇?zhǔn)2020年推進(jìn)電池開(kāi)發(fā)呢？在便攜終端領(lǐng)域，估計(jì)今后的開(kāi)發(fā)主流仍以實(shí)現(xiàn)高容量化為目標(biāo)（圖3）。盡管目前的便攜終端用充電電池也有鎳氫充電電池及鎳鎘（Ni-Cd）充電電池等，但傳統(tǒng)手機(jī)、智能手機(jī)、筆記本電腦及平板終端已開(kāi)始采用鋰離子充電電池。

便攜終端用途方面，技術(shù)開(kāi)發(fā)重心是高容量化（a）。電動(dòng)汽車(chē)用途方面，EV及PHEV用途的目標(biāo)是使可實(shí)現(xiàn)高容量化的電池達(dá)到實(shí)用水平，此外HEV用途有望采用鋰離子電容器（b）。定置用途方面，估計(jì)在面向蓄電系統(tǒng)提高安全性與壽命的同時(shí)，以降低成本為目標(biāo)的新型電池的開(kāi)發(fā)也會(huì)不斷推進(jìn)（c）。

目前，鋰離子充電電池單位體積的能量密度已達(dá)到600Wh/L左右，在市面上的充電電池中能量密度最高注4）。

注4）在目前的便攜終端用鋰離子充電電池中，索尼預(yù)定2011年內(nèi)使筆記本電腦用圓筒形單元“18650”中單位體積能量密度提高至723Wh/L的產(chǎn)品實(shí)用化。該鋰電池的負(fù)極采用Sn類(lèi)合金。

但負(fù)極材料采用石墨的現(xiàn)行鋰離子充電電池的能量密度正在接近極限。今后將通過(guò)混合使用硅（Si）及錫（Sn）等合金類(lèi)負(fù)極材料，來(lái)提高能量密度，目標(biāo)是到2020年使能量密度達(dá)到800～1000Wh/L左右。

便攜終端用電池方面，雖然高容量化仍是今后的開(kāi)發(fā)主流，但部分企業(yè)已開(kāi)始轉(zhuǎn)向其他開(kāi)發(fā)方向，比如將原來(lái)長(zhǎng)達(dá)1～2小時(shí)的充電時(shí)間縮短至10分鐘左右，在不增加容量的情況下提高易用性。

以NTTDoCoMo為例，該公司在CEATECJAPAN2011上公開(kāi)了可在10分鐘內(nèi)快速充電的移動(dòng)電源試制品。可利用外出前或在餐廳吃飯時(shí)等較短的時(shí)間，為移動(dòng)電源快速充電，然后再利用移動(dòng)電源為智能手機(jī)充電。

如果能夠結(jié)合使用NTTDoCoMo已開(kāi)始銷(xiāo)售的無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)，構(gòu)建可隨時(shí)隨地快速充電的基礎(chǔ)設(shè)施，便有望在不增加充電電池容量的情況下提高便攜終端的易用性注5）。

注5）NTTDoCoMo推出了配備非接觸充電功能“放置充電”的智能手機(jī)。該公司為了提高這些智能手機(jī)的易用性，目前正在咖啡館及機(jī)場(chǎng)候機(jī)室等場(chǎng)所建設(shè)可進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電的基礎(chǔ)設(shè)施。

低成本化要求嚴(yán)格

在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，HEV用途與PHEV/EV用途的開(kāi)發(fā)方向?qū)芪挤置鳌EV用途方面，因較為重視高輸出功率及長(zhǎng)壽命，除了鋰離子充電電池之外，估計(jì)還會(huì)采用鋰離子電容器。而PHEV及EV用途方面，將會(huì)開(kāi)發(fā)既具備高安全性及長(zhǎng)壽命，又能實(shí)現(xiàn)高容量化的電池。而且，電動(dòng)汽車(chē)用途對(duì)低成本化的要求非常嚴(yán)格。估計(jì)很難采用現(xiàn)有便攜終端用電池采用的鈷（Co）等成本較高的材料。

定置用途方面的開(kāi)發(fā)動(dòng)向也一樣。可再生能源平均化用途方面，已開(kāi)始引入鋰離子電容器，以電網(wǎng)電力的高峰期轉(zhuǎn)換用途為代表，大樓及住宅用蓄電系統(tǒng)用途與PHEV及EV用途一樣，要求電池安全性高、壽命長(zhǎng)，而且可以提高容量。但低成本化要求比電動(dòng)汽車(chē)用途更為嚴(yán)格，估計(jì)超過(guò)1MW的大型電池還會(huì)采用氧化還原液流電池。

獲得第三方認(rèn)證

隨著電池用途的不斷擴(kuò)大，電池的開(kāi)發(fā)重心呈現(xiàn)出了高容量、高安全性及長(zhǎng)壽命等多樣化趨勢(shì)。即便如此，在市場(chǎng)快速擴(kuò)大的電動(dòng)汽車(chē)用途與定置用途方面，今后開(kāi)發(fā)的大前提仍是安全性高和長(zhǎng)壽命。

在這種形勢(shì)下，從事定置用鋰離子充電電池業(yè)務(wù)的ELIIYPower宣布，2011年8月其大型鋰離子充電電池全球首次獲得了國(guó)際第三方機(jī)構(gòu)TUVRheinland日本實(shí)施的安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證“TV-SMark”。達(dá)到了振動(dòng)測(cè)試、貫通測(cè)試、沖擊測(cè)試、冷熱沖擊測(cè)試、短路測(cè)試、過(guò)放電測(cè)試、落下測(cè)試、浸水測(cè)試、破壞測(cè)試、異常加熱測(cè)試及過(guò)充電測(cè)試等11個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試及工廠(chǎng)監(jiān)查的要求，并獲得了認(rèn)證。

ELIIYPower開(kāi)發(fā)出了注重安全性的鋰離子充電電池（a）。全球首次獲得了第三方機(jī)構(gòu)TUVRheinland日本實(shí)施的安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證“TV-SMark”。實(shí)施了鈍釘穿剌、高溫、過(guò)充電及過(guò)放電等測(cè)試，符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)（b，c）。

ELIIYPower采用了正極材料使用高溫下具有出色熱穩(wěn)定性的磷酸鐵鋰（LiFePO4）的電池單元。2010年4月，該公司在川崎市建成年產(chǎn)20萬(wàn)個(gè)單元的量產(chǎn)工廠(chǎng)，并開(kāi)始生產(chǎn)這種電池。

2010年12月，ELIIYPower通過(guò)在μm級(jí)別上對(duì)正極和負(fù)極進(jìn)行微細(xì)構(gòu)造控制，優(yōu)化與電解液等的組合方式，使單元的能量密度比其原產(chǎn)品提高了約10％。而且，將使用溫度范圍擴(kuò)大到了－20～60℃，尤其提高了高溫下的循環(huán)特性以及低溫下的充電性能。

據(jù)ELIIYPower介紹，盡管以前就曾對(duì)這種電池單元實(shí)施過(guò)鈍釘穿剌測(cè)試、壓碎測(cè)試、過(guò)充電測(cè)試及過(guò)放電測(cè)試等，并證明不會(huì)冒煙、起火及破裂，但考慮到今后要向家庭等普及這種電池，便取得了第三方機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。

受東日本大地震后日本各地電力短缺的影響，住宅企業(yè)等開(kāi)始考慮采用家用蓄電系統(tǒng)。但目前的現(xiàn)狀是，很多住宅企業(yè)都很擔(dān)心鋰離子充電電池的安全性，希望電池廠(chǎng)商能夠大幅提高電池單元的安全性。

實(shí)際生活中也曾發(fā)生過(guò)讓這種擔(dān)憂(yōu)加劇的事故。2011年9月下旬，此前作為大型蓄電池不斷獲得應(yīng)用的硫化鈉（NaS）電池發(fā)生了火災(zāi)事故。由于起火原因尚未查明，作為銷(xiāo)售商的日本礙子（NGK）決定停止供貨，而且于2011年11月要求正在生產(chǎn)的NAS電池停產(chǎn)注6）。

注6）日本礙子（NGK）2011年10月28日宣布停產(chǎn)NAS電池。2011年9月下旬三菱材料公司的筑波制作所發(fā)生了NAS電池火災(zāi)事故，因未查明原因，日本礙子便采取了這樣的措施。電池單元自身必須具備較高的安全性

不僅是定置用途，估計(jì)今后電動(dòng)汽車(chē)用途對(duì)電池的這種擔(dān)憂(yōu)也會(huì)加劇。其原因是，“即便是ppm級(jí)別的缺陷，也會(huì)使大容量電池造成致命事故”（汽車(chē)業(yè)內(nèi)人士）。因此，估計(jì)今后電動(dòng)汽車(chē)用途將越來(lái)越多地采用正極材料使用高溫穩(wěn)定性出色的LiFePO4的鋰電池。目前已開(kāi)始出現(xiàn)這種征兆。

比如，本田已宣布在預(yù)定2012年上市的PHEV上采用正極材料使用LiFePO4的GS湯淺產(chǎn)鋰電池。美國(guó)通用汽車(chē)公司也同樣表示將在EV上采用由A123Systems生產(chǎn)的、使用LiFePO4的鋰電池。

使用LiFePO4的鋰電池也存在問(wèn)題。LiFePO4在制成電池單元時(shí)，電壓只有3.5V，因此在電動(dòng)汽車(chē)及定置用途等大電壓條件下使用時(shí)，需要增加單元的串聯(lián)數(shù)等，易用性較低。

因此，作為瞄準(zhǔn)2020年的研發(fā)方向，具備與LiFePO4相同的橄欖石構(gòu)造、電壓達(dá)到4V以上的磷酸錳鋰（LiMnPO4）及磷酸鎳鋰（LiNiPO4）等備受關(guān)注。LiMnPO4方面，住友大阪水泥已宣布2011年內(nèi)開(kāi)始樣品供貨這種正極材料，今后估計(jì)以采用這種材料的鋰電池的實(shí)用化為目標(biāo)的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)更加激烈。

與電解液同等的性能

為了在提高安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高容量化，利用固體電解質(zhì)而非目前主流的電解液的研發(fā)活動(dòng)日益活躍。這種電池稱(chēng)為全固體電池。

全固體電池方面，人們發(fā)現(xiàn)了離子導(dǎo)電度與傳統(tǒng)電解液同等的物質(zhì)。這就是硫化物類(lèi)固體電解質(zhì)之一——Li10GeP2S12。表示鋰擴(kuò)散速度的離子導(dǎo)電度可在室溫（27℃）下達(dá)到1.2×10－2S/cm，這是一個(gè)極高的數(shù)值。

開(kāi)發(fā)出這種電解質(zhì)的是，東京工業(yè)大學(xué)、豐田與高能源加速器研究機(jī)構(gòu)組成的研發(fā)小組。主導(dǎo)研發(fā)的東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究系物質(zhì)電子化學(xué)專(zhuān)業(yè)教授菅野了次自信地表示，“打破了此前固體電解質(zhì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的、在室溫下達(dá)到10－2S/cm的極限”。

豐田已試制出了采用這種固體電解質(zhì)的電池單元。該公司在2011年10月舉行的“第52屆電池研討會(huì)”上就其試制的單元發(fā)表了演講，演講題目為“采用高離子導(dǎo)電體Li10GeP2S12的全固體電池的特性”（演講序號(hào)：4C21）（圖5）。解決了此前全固體電池存在的大電流放電問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果顯示，可實(shí)現(xiàn)50C的高倍率放電。

離子導(dǎo)電性與電解液同等的全固體電池

豐田試制出了采用固體電解質(zhì)Li10GeP2S12的全固體電池，這種電解質(zhì)具備與電解液同等的離子導(dǎo)電性（a、b）。試制的電池單元可實(shí)現(xiàn)50C的放電倍率（c）。與此前開(kāi)發(fā)的固體電解質(zhì)相比，具備高輸出功率特性（d）。

測(cè)試時(shí)，采用了由碳材料混合而成的電池單元，正極使用鈷酸鋰（LiCoO2），負(fù)極使用鈦酸鋰（Li4Ti5O12）。正極材料LiCoO2在包覆可降低界面電阻的鈮酸鋰（LiNbO3）之后，與固體電解質(zhì)混合在一起。

這種電池存在的課題是，除固體電解質(zhì)外，還存在較大的電阻因素，這會(huì)對(duì)高倍率特性帶來(lái)巨大影響。豐田今后打算從被覆在正極材料的LiNbO3、負(fù)極電阻以及正極或負(fù)極電子通路等的影響中找出問(wèn)題的原因所在。

如果能夠解決此類(lèi)問(wèn)題，估計(jì)就能利用固體電解質(zhì)，使安全性更高、容量更大的鋰電池實(shí)用化。