枝晶生長為什麼會短路

摘 要：日本3DOM等初創企業積極參與下一代電池的研發競爭，爭奪市場份額。

關鍵字：下一代電池、二次電池、金屬鋰電池、隔膜、全固態電池、交流電池

圍繞下一代電池的霸主之爭正在升溫。目前，從電動汽車（EV）到無人機，基本都採用鋰離子電池作為動力源，但日本初創企業關於下一代電池的研發正展開激烈的技術競爭。各相關企業或對電極和催化劑進行最大程度的研究，或改變關注點把目標放在超越當前鋰離子電池的下一代電池上。二次電池是日本的強項，但近年來中韓迎頭追趕，因此日本對技術團隊寄予厚望。

原松下公司的技術人員參加3DOM公司的電池研發

橫濱市可謂是下一代電池研發的“梁山泊”（人才聚集之地），而由東京都立大學成立的初創企業3DOM就坐落於此，聚集了來自松下等大型電機制造商和汽車生產商的離職科研人員，以及尋求新發展的技術人員。公司成立之初，科研人員僅有東京都立大學的金村聖志教授，如今已達到約70人，最近一年內人數翻了一倍。

“能讓我們測試一下電池效能嗎？”，“我們希望與貴公司合作”，從歐美的汽車巨頭到無人機制造商，3DOM公司接到的諮詢源源不斷。該公司計劃到2022年實現“金屬鋰電池”的實用化。

在美國設立新工廠，佈局下一代電池產業

在同等重量下，金屬鋰電池含有的能量是鋰離子電池的2倍，其效能已經得到證實。該電池不僅可以大幅提高EV的續航距離，還可以搭載到飛行汽車上。

目前，鋰離子電池的負極主要使用碳材料，而3DOM公司採用的是金屬鋰。金屬鋰雖然可以輕鬆提高電容量，但也有因短路起火的風險。

起火的原因是一種叫做“枝晶”的現象，由於化學反應不平衡，導致負極表面生長出柱狀的結晶。3DOM公司自出研發了一種可抑制這種現象的隔膜（絕緣材料）。這種隔膜的表面像蜂巢一樣，有序地排列著直徑為數百奈米（十億分之一米）的球狀小孔。透過使作為離子通道的這些小孔大小一致，排列整齊，實現了整體均勻的化學反應。

隔膜的材料使用耐熱聚醯亞胺樹脂，在400攝氏度的溫度下也不會燃燒。目前，3DOM公司在美國西雅圖郊區的工廠生產鋰離子電池，2021年將在美國開設新的工廠，為下一代電池的發展做好佈局。

隨著EV和無人機等的普及，鋰離子電池市場持續增長。與此同時，以擴大電池容量、追求安全性、延長使用壽命等為目標的下一代電池的開發也在如火如荼地進行。

據富士經濟的調查，2035年全球下一代電池市場規模將從2020年預測的42億日元（約2。8億元）達到2。7萬億日元（約1770億元），成為一大潮流。車載電池市場中排名首位的中國寧德時代新能源科技（CATL）、排名第二的松下株式會社、以及在歐洲汽車市場佔據優勢的韓國LG化學這三大企業也在積極研發下一代電池。

其中，在小型化和快速充放電方面表現突出的“全固態電池”被視為最有力的競爭產品。除了豐田汽車和松下等老牌企業外，日本的一些初創企業也積極參與到了下一代電池的研發競爭中。位於仙台市的AZUL Energy公司就是其中之一，該公司專注於開發影響電池效能的材料，而非成品電池。

瞄準無人機市場

2017年，日本東北大學材料科學專業的藪浩副教授聽到研究電池的學生產生的突發奇想後表示，“將這種顏料用作催化劑是不是很有意思？幾乎沒有將顏料作為電池催化劑的案例”，而且他預感這種方案或許可行。

藪副教授鑽研的是金屬空氣電池，該電池以空氣中的氧氣作為正極的反應材料，以金屬作為負極的反應材料，儲存的電量是鋰離子電池的3~10倍，被稱為“終極電池”。

但是，金屬空氣電池的電流量很小。即使充放電效能很優越，如果輸出功率小的話，也不適合用於EV等，目前90%的金屬空氣電池都用於助聽器。藪副教授嘗試用鐵系顏料代替主流的錳作為電極的催化劑，結果發現，電流量提高了20%~30%。他計劃進一步提高電池的效能以搭載到無人機上。AZUL Energy則打算與電池製造商共同研發這種催化劑。

AZUL Energy還聘請原富士膠片的技術人員伊藤晃壽擔任負責人。對於藪副教授的邀請，伊藤深思熟慮後下定決心“要挑戰大企業難以涉足的新領域”。

AZUL Energy將顏料用於電池催化劑（圖片均來自雅虎）

AC Biode作為京都市的初創企業，其電池獨具一格。該公司的電池透過交流電進行充放電，因此名為“交流電池”。從原理上來講，充電一次後使用的時間比同等大小的鋰離子電池多30%。該公司2019年接受以歐盟機構為前身、支援創新效能源研究的荷蘭InnoEnergy公司的投資。

交流電是指以一定的頻率改變電子流動方向和電壓的方式，主要用於輸電供電和大功率電動機。電池一般透過轉換器將交流電轉換為直流電進行儲存，而電動機等裝置將電能轉換為交流電再使用。但是，將交流電轉換成直流電時會損失10%~20%的電能。據稱，如果是交流電池的話，不僅可以減少電能損耗，壽命還可以延長到鋰離子電池的2倍。

位於京都精華町的Connex Systems公司正致力於開發將燃料電池和空氣電池（鐵 - 空氣電池）的原理結合在一起的“Shuttle電池”。該電池利用鐵在水中生鏽的反應制造氫氣，然後透過氫氣和氧氣發生反應生成電。改進後的鐵-空氣電池能將氫氣供給至燃料電池進行充放電。

鋰離子電池過去一直是日本獨大的領域，但近年來日本的鋰離子電池市場正在被中韓奪走。雖說如此，日本在主要零部件領域仍然略勝一籌，在燃料電池隔膜方面，旭化成和東麗佔據了30%左右的市場份額。在正極材料領域，住友金屬礦山等也具有優勢。

雖然初創企業也有希望，但是在車載用途方面，電池巨頭和汽車製造商的關係逐漸加深，想要爭奪市場並不容易。瑞穗銀行的湯進先生對電池市場十分了解，他表示，“要想在競爭中勝出，關鍵是要與電池行業的巨頭和客戶合作，迅速擴大生產規模”。當這些初創企業解開生存下去的方程式之時，或許下一代電池的時代也將來臨了。

翻譯：肖永紅

審校：李涵、賈陸葉

統稿：李淑珊