社区

宁德时代带领下中国汽车电池行业的内卷和研发不足已经是定论，宁德时代甚至被分析师说你的研发连互联网行业里面公认的最没技术含量的小米的研发经费都比不上。

话很刻薄，但这是目前中国电池行业的现状。无论是宁德时代还是比亚迪，其电池基本上还是传统的制造业，通过规模效应、国家补贴、出口补贴等获得可怜的代工利润。事实上吧，不仅是电池，就是半导体，中国半导体企业大部分也是制造业，模式就是进口设备、进口原材料，加工生产。所以，这些所谓高科技只要鬼子制裁或者不给订单立马就嫣了。

但是，未来肯定是通过技术创新的。日经新闻认为，2030～2040年，全球被认为将迎来“电池时代”，那么，未来能取代锂呢？对未来材料的研发才是电池企业需要正确面对的问题，而这才是研发！

//

电池时代：谁是取代锂的新主角？

“存储电力的容量超过锂”，日本九州大学的研究团队对于新主角的亮相充满期待。

新型电池产生电力的离子采用与锂不同的氟。因此被称为氟化物离子电池。

氟因牙膏而被人们熟知，3个氟原子和铁结合，首先制成电极。蓄电容量为每克579毫安时。如果制成电池，容量有望达到锂离子电池的3倍。这可以让纯电动汽车的续航距离延长，如果维持电池的大小不变，还有望让纯电动汽车价格降低2成。

容量之所以迅速增加，是因为在正极和负极之间移动的氟化物离子能通过电线同时获得3个电子。接近于一次性搬运和储存多件货物的情形。相反，锂离子能携带的电子仅为1个。

除此以外，据称氯和溴也很有潜力。3个离子分别与铋离子结合之后，同样能使电子移动。相关研究已获得日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的支援。

据日本地球环境产业技术研究机构（RITE）统计，要在2050年之前实现温室气体净零排放，社会的电动化不可或缺。至少需要累计达到最高100万亿瓦时的蓄电池。

既属于出行手段又为家庭供电的纯电动汽车是相关对策的象征。日本矢野经济研究所的统计显示，纯电动汽车等的全球销量到2030年将达到5026万辆，增至2020年的9倍。

如果纯电动汽车的价格降至约100万日元（约合人民币5.07万元），将成为普及的东风。一方面，电池价格低于每千瓦时约5千日元（约合人民币253元）被视为理想状态。美国彭博新能源财经(Bloomberg NEF)统计显示，锂离子电池的价格2021年为132美元，相比2010年降至9分之1，但仍然偏贵。今后由于会朝着自动驾驶等方向发展，耗电量也将不断增加。

在电池需要革新的背景下，锂离子电池的出色之处也得到再认识。占重量近一半的正极使用最轻的金属锂等进行制造。容量也高于以前的铅和镍氢电池。

锂电池从1994年的每升235瓦时发展到约700瓦时，随后也并未停下提高性能的步伐。现在甚至能承受约4千次充放电。2019年，锂电池的开发功绩获得诺贝尔化学奖。可以称得上是蓄电池的“王者”。

但是，性能卓越的锂电池也在向极限靠近。其性能已经逼近每升800瓦时的上限。

日产汽车的纯电动汽车采用的62千瓦时锂离子电池可在约4天里满足每天使用12千瓦时的家庭的电力需求。但是，任何人都想希望拥有价格更加低廉的大容量电池。因此，不可能一直依赖锂。

日本同志社大学教授盛满正嗣正在讨论利用锌开发新电池，寻求达到每升800瓦时以上。传导离子的电解液采用水，“每千瓦时数千～1万日元也变为可能”。据称，目前已看到防止短路的头绪，希望到2025年前后制造出电池。

东京理科大学的教授駒场慎一等人力争开发采用钾离子的电池。目标是3千次充放电。而西班牙的巴塞罗那材料科学研究所等关注的是钙。在低于此前的100摄氏度运行的电极的制造已有眉目。

有观点认为，新电池的开发只采用寻常的方法可能行不通。以氟化物离子电池为例，要加快弄清使用中容量减少的原因。还需要寻找最佳的电极材料。其他电池也是一样，在生产工序等方面还存在很多课题。

不过，科学家之所以对元素的探索倾注热情，是因为元素的差异会令电池性能明显改变，犹如彗星般突然问世的电池一直不断改变着我们的社会和文明。

在意大利的伏特于1800年前后发明新电池之后，在现代，镍镉和镍氢等电池得到普及。1991年，锂离子电池才终于问世。

专家认为“到2030～2040年有可能发生新一代电池的代际更替”。盛满教授指出“电池的成本和资源量将影响元素的选择”。锂电池仍然会被继续使用，可能根据用途而形成分栖共存的情况。

今后哪种元素坐上主角的宝座？哪种电池将会普及？或许只有化学教科书上司空见惯的元素周期表才知道真正的答案。

//

电池时代：利用空气的终极电池

利用空气产生电力的终极蓄电池或许会在不远的将来实现，这一前景已经浮现。其名称为空气电池。与以往的电池不同，不需要电极，重量也仅为现有的锂离子电池的5分之1。包括韩国和中国企业在内，开发竞争正日趋激化。兼具轻量和大容量的蓄电池将成为力争在2030年代以后普及的飞行汽车不可或缺的动力源之一。

在日本，每年因道路拥堵而造成的经济损失高达10万亿日元以上。在城市里，有时行驶10公里要花30分钟，很浪费时间。据世界卫生组织（WHO）统计，全球每年有约130万人死于交通事故。

虽然至今没有称得上王牌的解决对策，但能成为选项之一的是利用比道路更宽阔的空中。不过这一选项目前令人感觉像是无稽之谈。这背后也是因为我们尚无法获得足以使汽车悬浮在空中的轻量且优质的蓄电池。今后的时代自然也不可能依靠燃烧化石燃料去飞行。

最高时速达到40～50公里——从事飞行汽车开发的日本企业SkyDrive（位于东京新宿区）计划在2025年前后使双座款的飞行汽车应用于出租车和紧急送医。这需要不断延长据称目前仅为约为5～10分钟的飞行时间。

熟悉电池研究的日本企业APB（位于东京千代田区）的首席执行官（CEO）堀江英明表示“汽车要飞行约1小时，需要每公斤450瓦时以上容量的电池”。对于锂离子电池来说，300瓦时将成为天花板。如果能降低电池的重量，表面上的容量将增加，但占锂电池整体重量近一半的电极（正极）将对轻量化构成阻碍。

在此背景下，轮到空气电池的登场。通过大胆改变结构，利用从空气中获得的氧气取代正极，然后与利用锂金属制造的电极结合。只要获得外界的空气，就成为电池的材料。如果正极被取消，锂金属将占更大空间。这样就具备在重量轻的同时锂增多，进而能增加蓄电容量的优点。

在产生电力之际，从电池缝隙进入的作为“帮手”的氧气会在容器的碳和树脂之中与锂离子结合。氧原子容易形成氧化物的团块，将合力驱动电子。借助充电，完成工作的氧原子离开团块，与锂离子分别，重新流向外部。

//

电池时代：削减能耗的幕后推手

纯电动汽车（EV）充电一次可行驶的距离在最近10年里延长至4倍。电池变得更大，“续航距离短”这一弱点看起来已经解决。但在性能进一步提高的未来，由于迈向“CASE（互联汽车、自动驾驶、共享、电动化）”，耗电量将进一步增加。即使电池的进步难以取得进展，经过日趋打磨和持续创新的马达与电线等也将成为幕后推手，支撑纯电动汽车持续走向进步

全球独一无二的“新车”的时速达到100公里——这让2014年获得诺贝尔物理学奖的日本名古屋大学的教授天野浩加深自信。

天野教授等试制的纯电动汽车利用氮化镓制造了用于电流控制的逆变器(Inverter)。这是借助获得诺贝尔奖的蓝色发光二极管（LED）的研究而培植出的新一代材料。

逆变器将电池产生的直流电转变为马达等使用的交流电，还能调节电压。氮化镓即使承受高电压也不会丧失半导体的性质。

由于可以使元件的厚度变薄，与以往的硅材料相比，电阻降至10分之1。经过计算，可减少因电流转换而损失的电力的63％。

天野教授表示“如果纯电动汽车搭载的全部逆变器都改用氮化镓，可将续航距离延长15％”。

将来还存在将电阻降至100分之1的可能性。将开发低价制造大型元件的技术，到2020年代后半期以后推向实用化。

诺贝尔奖学者积极展开行动，是因为脱碳化的举措变得刻不容缓，不能仅仅依赖蓄电池的发展。

三菱汽车2009年推出的世界首款量产型纯电动汽车“i-MiEV”充电一次可行驶的续航距离仅为160公里。而如今，高档车特斯拉Model S的续航可超过600公里。日产汽车的LEAF（中国名：聆风）也能行驶450公里。

不过，日本经济产业省在2月公布的报告中呼吁称“要获得满足商用的600公里以上的续航距离，有必要实现70％以上的节能化”。

从不远的未来将登场的纯电动汽车来看，控制自动驾驶的人工智能（AI）用芯片将消耗接近马达一半的3千瓦电力，同时，确认周围安全的摄像头和雷达也会消耗电力。

在日本以外国家有分析指出，耗电量的增加将仅相当于市区续航距离减少10～15％的程度。但不管怎样，耗电量都将增加。

纯电动汽车电池的进步容易引来关注，但通过在系统方面下功夫来提升性能的挑战也已经开始。

19世纪诞生的马达也将迎来变身。对于将通过电磁铁和永久磁铁结合起来获得旋转力的原理，京都大学的特聘教授中村武恒开发了使电阻为零的超导技术。这将能减少并未转化为旋转力、而是变成热并白白浪费的电力。这也是高速行驶的磁悬浮列车的原理。

中村教授等和日本研发企业IMRA JAPAN合作，利用铋和铜等的氧化物试制了输出功率达到50千瓦的马达。中村教授表示“即使考虑通过氦等冷却超导磁铁的冷冻机的耗电量，在一定条件下，理论上的续航距离也将延长约5％”。

如果将输出功率改进至150千瓦将可用于中型车，如果进一步大型化，则能用于巴士和卡车。

成为纯电动汽车的血管和神经网络的“线束”也将彻底改变。

日本相关领域的大型企业住友电气工业将铜电线的6成改为铝，每台重量减轻42％。2009年推出铝制车载电线，2015年发售了可在振动剧烈的发动机的周围使用的型号。该公司还向铝中掺入多种金属，提高了强度。

纯电动汽车的电压达到汽油车10倍以上的400～800伏。电流将增加，电线变得更粗，如果仍使用铜线，将变得太重。如果通过铝来抑制重量，续航距离将随之延长。

日本东海大学的教授木村英树表示，将减速时的力用于发电的“再生制动系统”也“受踩下刹车时的强度、时机和时间的长度影响，能回收的电力将改变”。如果实现最佳使用方法的技术出现，有助于确保电力。

再生制动系统于1990年代面向混合动力车问世。目前在市区频繁减速之际，如果充分利用，可将行驶距离延长2～3成。

不依赖油压制动器、可单独使用的最低速度降至时速约10公里至3～5公里，用于发电的转数则从1分钟约6千次提高至1万7千次。

伴随纯电动汽车性能提升的电池革新和耗电量增加看起来像是“猫捉老鼠的游戏”和“拔河”。

但是，与电池一起工作的搭档也在与电池相互磨砺。只要有它们的彼此竞争，纯电动汽车的进步就不会停下脚步。