客观日本

控制电极内的氧原子,实现无电力损失的大容量电池

2021年03月23日 电子电气

克服蓄电池的缺点,减少能量损失——日本东京大学的山田淳夫教授等人组成的研究团队正在开发防止蓄电池的能量以热量的形式损失掉的电极材料。这个技术的关键在于控制氧原子的功能,抑制发热,减少能量损失。该技术若能投入实用化,到2030年前后,能量损失比较低的大容量蓄电池有望实现普及。

title

要想实现日本政府提出的2050年实现二氧化碳(CO2)净零排放的目标,首先需要实现高性能的蓄电池,因为需要储存风力和太阳能等可再生能源发电的电力。现在世界各地的大学、大型企业和初创企业都在争相开发高性能蓄电池。

为了增加蓄电池的蓄电量,就要增加在电池正负极之间来回移动的金属离子的数量。蓄电池是随着离子从正极移动到负极来储存电力的,增加离子数量,就能提高蓄电池的容量,但正极能容纳的离子数量是有限的,这成为开发蓄电池的一大障碍。

山田教授的研究团队的着眼点是正极材料中含有的氧。他们认为,如果氧携带的电子也能发挥能量传输的作用,则可以大幅增加蓄电池的蓄电量。

研究团队以前就在考虑这种方法,但利用氧电子的材料存在容易发热的缺点。失去电子的氧原子的结构会变得不稳定,并与附近的氧原子结合。此时就会发热,导致储存的电力流失,成为实用化的障碍。

研究团队此次着眼于由钠、锰和氧组成的“Na2Mn3O7”材料。研究发现,将这种材料作为蓄电池的正极材料使用时,即便使氧电子具备能量传输功能,正极也不会发生氧原子相互结合的情况。

具体来说,充电时钠和氧会移动到负极,放电时二者则返回正极。在实验中,以4.23V的电压充电时,以4.19V的电压放电,以4.55V的电压充电时则以4.52V的电压放电。充电与放电之间的电压差分别只有0.04V和0.03V,几乎没有电力损失。

研究团队详细调查新材料的电子状态发现,其在氧原子释放电子的“配位孔”状态下稳定存在。研究团队认为,释放电子的氧和锰相互之间强烈吸引,因此即使释放电子,氧原子也保持稳定。

由于氧原子不会相互结合,能量不会以热量的形式流失。输出的能量增加,因此成了高效率的电极材料。研究团队的目标是,开发能更有效地防止氧原子相互结合的电极材料。2030年前后有望实现几乎没有能量损失的蓄电池。

很多阶段都会发生能量损失

将太阳能和风力等发电的电力储存到蓄电池中时会产生各种损失,发电量与能储存并实际利用的电量之间存在差异,降低损失的技术非常重要。

太阳能和风力发电产生的是直流电。直流电与干电池一样,电压的大小和电流的方向不会改变。虽然蓄电池能以直流的方式充电,但太阳能和风力产生的电力,电压往往不稳定。因此,需要使用转换器来稳定电压,而使用转换器会产生5~10%左右的损失。

从蓄电池中放电,在家庭等场所使用时也会产生电力损失。家中的所有家电产品等都是通过插座等获取交流电等。交流电的电流方向和电压会发生周期性变化,与蓄电池释放的直流电完全不同,需要使用逆变器进行转换,这个过程可能会损失10%左右的电力。

逆变器等的转换效率因产品而异,但无论使用哪种产品,都会因发热而损失能量。不仅要降低蓄电池内的损失,还需要提高系统整体的效率,同时建立相应的社会机制。

日文:矢野摄士、《日经产业新闻》、2021年2月28日
中文:JST客观日本编辑部

专题网页