寧德時代研發投入連小米都不如背後 日經：誰是取代鋰的新主角？

寧德時代帶領下中國汽車電池行業的內卷和研發不足已經是定論，寧德時代甚至被分析師說你的研發連網際網路行業裡面公認的最沒技術含量的小米的研發經費都比不上。

話很刻薄，但這是目前中國電池行業的現狀。無論是寧德時代還是比亞迪，其電池基本上還是傳統的製造業，透過規模效應、國家補貼、出口補貼等獲得可憐的代工利潤。事實上吧，不僅是電池，就是半導體，中國半導體企業大部分也是製造業，模式就是進口裝置、進口原材料，加工生產。所以，這些所謂高科技只要鬼子制裁或者不給訂單立馬就嫣了。

但是，未來肯定是透過技術創新的。日經新聞認為，2030～2040年，全球被認為將迎來“電池時代”，那麼，未來能取代鋰呢？對未來材料的研發才是電池企業需要正確面對的問題，而這才是研發！

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電池時代：誰是取代鋰的新主角？

“儲存電力的容量超過鋰”，日本九州大學的研究團隊對於新主角的亮相充滿期待。

新型電池產生電力的離子採用與鋰不同的氟。因此被稱為氟化物離子電池。

氟因牙膏而被人們熟知，3個氟原子和鐵結合，首先製成電極。蓄電容量為每克579毫安時。如果製成電池，容量有望達到鋰離子電池的3倍。這可以讓純電動汽車的續航距離延長，如果維持電池的大小不變，還有望讓純電動汽車價格降低2成。

容量之所以迅速增加，是因為在正極和負極之間移動的氟化物離子能透過電線同時獲得3個電子。接近於一次性搬運和儲存多件貨物的情形。相反，鋰離子能攜帶的電子僅為1個。

除此以外，據稱氯和溴也很有潛力。3個離子分別與鉍離子結合之後，同樣能使電子移動。相關研究已獲得日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）的支援。

據日本地球環境產業技術研究機構（RITE）統計，要在2050年之前實現溫室氣體淨零排放，社會的電動化不可或缺。至少需要累計達到最高100萬億瓦時的蓄電池。

既屬於出行手段又為家庭供電的純電動汽車是相關對策的象徵。日本矢野經濟研究所的統計顯示，純電動汽車等的全球銷量到2030年將達到5026萬輛，增至2020年的9倍。

如果純電動汽車的價格降至約100萬日元（約合人民幣5。07萬元），將成為普及的東風。一方面，電池價格低於每千瓦時約5千日元（約合人民幣253元）被視為理想狀態。美國彭博新能源財經（Bloomberg NEF）統計顯示，鋰離子電池的價格2021年為132美元，相比2010年降至9分之1，但仍然偏貴。今後由於會朝著自動駕駛等方向發展，耗電量也將不斷增加。

在電池需要革新的背景下，鋰離子電池的出色之處也得到再認識。佔重量近一半的正極使用最輕的金屬鋰等進行製造。容量也高於以前的鉛和鎳氫電池。

鋰電池從1994年的每升235瓦時發展到約700瓦時，隨後也並未停下提高效能的步伐。現在甚至能承受約4千次充放電。2019年，鋰電池的開發功績獲得諾貝爾化學獎。可以稱得上是蓄電池的“王者”。

但是，效能卓越的鋰電池也在向極限靠近。其效能已經逼近每升800瓦時的上限。

日產汽車的純電動汽車採用的62千瓦時鋰離子電池可在約4天裡滿足每天使用12千瓦時的家庭的電力需求。但是，任何人都想希望擁有價格更加低廉的大容量電池。因此，不可能一直依賴鋰。

日本同志社大學教授盛滿正嗣正在討論利用鋅開發新電池，尋求達到每升800瓦時以上。傳導離子的電解液採用水，“每千瓦時數千～1萬日元也變為可能”。據稱，目前已看到防止短路的頭緒，希望到2025年前後製造出電池。

東京理科大學的教授駒場慎一等人力爭開發採用鉀離子的電池。目標是3千次充放電。而西班牙的巴塞羅那材料科學研究所等關注的是鈣。在低於此前的100攝氏度執行的電極的製造已有眉目。

有觀點認為，新電池的開發只採用尋常的方法可能行不通。以氟化物離子電池為例，要加快弄清使用中容量減少的原因。還需要尋找最佳的電極材料。其他電池也是一樣，在生產工序等方面還存在很多課題。

不過，科學家之所以對元素的探索傾注熱情，是因為元素的差異會令電池效能明顯改變，猶如彗星般突然問世的電池一直不斷改變著我們的社會和文明。

在義大利的伏特於1800年前後發明新電池之後，在現代，鎳鎘和鎳氫等電池得到普及。1991年，鋰離子電池才終於問世。

專家認為“到2030～2040年有可能發生新一代電池的代際更替”。盛滿教授指出“電池的成本和資源量將影響元素的選擇”。鋰電池仍然會被繼續使用，可能根據用途而形成分棲共存的情況。

今後哪種元素坐上主角的寶座？哪種電池將會普及？或許只有化學教科書上司空見慣的元素週期表才知道真正的答案。

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電池時代：利用空氣的終極電池

利用空氣產生電力的終極蓄電池或許會在不遠的將來實現，這一前景已經浮現。其名稱為空氣電池。與以往的電池不同，不需要電極，重量也僅為現有的鋰離子電池的5分之1。包括韓國和中國企業在內，開發競爭正日趨激化。兼具輕量和大容量的蓄電池將成為力爭在2030年代以後普及的飛行汽車不可或缺的動力源之一。

在日本，每年因道路擁堵而造成的經濟損失高達10萬億日元以上。在城市裡，有時行駛10公里要花30分鐘，很浪費時間。據世界衛生組織（WHO）統計，全球每年有約130萬人死於交通事故。

雖然至今沒有稱得上王牌的解決對策，但能成為選項之一的是利用比道路更寬闊的空中。不過這一選專案前令人感覺像是無稽之談。這背後也是因為我們尚無法獲得足以使汽車懸浮在空中的輕量且優質的蓄電池。今後的時代自然也不可能依靠燃燒化石燃料去飛行。

最高時速達到40～50公里——從事飛行汽車開發的日本企業SkyDrive（位於東京新宿區）計劃在2025年前後使雙座款的飛行汽車應用於計程車和緊急送醫。這需要不斷延長據稱目前僅為約為5～10分鐘的飛行時間。

熟悉電池研究的日本企業APB（位於東京千代田區）的執行長（CEO）堀江英明表示“汽車要飛行約1小時，需要每公斤450瓦時以上容量的電池”。對於鋰離子電池來說，300瓦時將成為天花板。如果能降低電池的重量，表面上的容量將增加，但佔鋰電池整體重量近一半的電極（正極）將對輕量化構成阻礙。

在此背景下，輪到空氣電池的登場。透過大膽改變結構，利用從空氣中獲得的氧氣取代正極，然後與利用鋰金屬製造的電極結合。只要獲得外界的空氣，就成為電池的材料。如果正極被取消，鋰金屬將佔更大空間。這樣就具備在重量輕的同時鋰增多，進而能增加蓄電容量的優點。

在產生電力之際，從電池縫隙進入的作為“幫手”的氧氣會在容器的碳和樹脂之中與鋰離子結合。氧原子容易形成氧化物的團塊，將合力驅動電子。藉助充電，完成工作的氧原子離開團塊，與鋰離子分別，重新流向外部。

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電池時代：削減能耗的幕後推手

純電動汽車（EV）充電一次可行駛的距離在最近10年裡延長至4倍。電池變得更大，“續航距離短”這一弱點看起來已經解決。但在效能進一步提高的未來，由於邁向“CASE（互聯汽車、自動駕駛、共享、電動化）”，耗電量將進一步增加。即使電池的進步難以取得進展，經過日趨打磨和持續創新的馬達與電線等也將成為幕後推手，支撐純電動汽車持續走向進步

全球獨一無二的“新車”的時速達到100公里——這讓2014年獲得諾貝爾物理學獎的日本名古屋大學的教授天野浩加深自信。

天野教授等試製的純電動汽車利用氮化鎵製造了用於電流控制的逆變器（Inverter）。這是藉助獲得諾貝爾獎的藍色發光二極體（LED）的研究而培植出的新一代材料。

逆變器將電池產生的直流電轉變為馬達等使用的交流電，還能調節電壓。氮化鎵即使承受高電壓也不會喪失半導體的性質。

由於可以使元件的厚度變薄，與以往的矽材料相比，電阻降至10分之1。經過計算，可減少因電流轉換而損失的電力的63％。

天野教授表示“如果純電動汽車搭載的全部逆變器都改用氮化鎵，可將續航距離延長15％”。

將來還存在將電阻降至100分之1的可能性。將開發低價製造大型元件的技術，到2020年代後半期以後推向實用化。

諾貝爾獎學者積極展開行動，是因為脫碳化的舉措變得刻不容緩，不能僅僅依賴蓄電池的發展。

三菱汽車2009年推出的世界首款量產型純電動汽車“i-MiEV”充電一次可行駛的續航距離僅為160公里。而如今，高檔車特斯拉Model S的續航可超過600公里。日產汽車的LEAF（中國名：聆風）也能行駛450公里。

不過，日本經濟產業省在2月公佈的報告中呼籲稱“要獲得滿足商用的600公里以上的續航距離，有必要實現70％以上的節能化”。

從不遠的未來將登場的純電動汽車來看，控制自動駕駛的人工智慧（AI）用晶片將消耗接近馬達一半的3千瓦電力，同時，確認周圍安全的攝像頭和雷達也會消耗電力。

在日本以外國家有分析指出，耗電量的增加將僅相當於市區續航距離減少10～15％的程度。但不管怎樣，耗電量都將增加。

純電動汽車電池的進步容易引來關注，但透過在系統方面下功夫來提升效能的挑戰也已經開始。

19世紀誕生的馬達也將迎來變身。對於將透過電磁鐵和永久磁鐵結合起來獲得旋轉力的原理，京都大學的特聘教授中村武恆開發了使電阻為零的超導技術。這將能減少並未轉化為旋轉力、而是變成熱並白白浪費的電力。這也是高速行駛的磁懸浮列車的原理。

中村教授等和日本研發企業IMRA JAPAN合作，利用鉍和銅等的氧化物試製了輸出功率達到50千瓦的馬達。中村教授表示“即使考慮透過氦等冷卻超導磁鐵的冷凍機的耗電量，在一定條件下，理論上的續航距離也將延長約5％”。

如果將輸出功率改進至150千瓦將可用於中型車，如果進一步大型化，則能用於巴士和卡車。

成為純電動汽車的血管和神經網路的“線束”也將徹底改變。

日本相關領域的大型企業住友電氣工業將銅電線的6成改為鋁，每臺重量減輕42％。2009年推出鋁製車載電線，2015年發售了可在振動劇烈的發動機的周圍使用的型號。該公司還向鋁中摻入多種金屬，提高了強度。

純電動汽車的電壓達到汽油車10倍以上的400～800伏。電流將增加，電線變得更粗，如果仍使用銅線，將變得太重。如果透過鋁來抑制重量，續航距離將隨之延長。

日本東海大學的教授木村英樹表示，將減速時的力用於發電的“再生制動系統”也“受踩下剎車時的強度、時機和時間的長度影響，能回收的電力將改變”。如果實現最佳使用方法的技術出現，有助於確保電力。

再生制動系統於1990年代面向混合動力車問世。目前在市區頻繁減速之際，如果充分利用，可將行駛距離延長2～3成。

不依賴油壓制動器、可單獨使用的最低速度降至時速約10公里至3～5公里，用於發電的轉數則從1分鐘約6千次提高至1萬7千次。

伴隨純電動汽車效能提升的電池革新和耗電量增加看起來像是“貓捉老鼠的遊戲”和“拔河”。

但是，與電池一起工作的搭檔也在與電池相互磨礪。只要有它們的彼此競爭，純電動汽車的進步就不會停下腳步。