《2021年秋量产 日本研发“全树脂电池”》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-03-05
  • 据《日本经济新闻》2月14日报道,日本三洋化成工业与源自庆应大学的初创企业等正在积极研发,用树脂代替金属作为电池构件避免起火的“全树脂电池”有望最早在2021年秋季启动量产。将以此追赶目前在新一代电池研发竞争中处于领先的全固体电池和空气电池。

    三洋化成将向电池初创企业APB出资。APB由日本庆应大学研究生院特任教授堀江英明创立。他曾在日产汽车主持研发纯电动汽车(EV)“聆风”的锂离子电池。通过取消电池构造物中的金属来从根本上预防起火事故的“全树脂电池”的研发方案也由他提出。

    三洋化成掌握着办公复合机墨粉和纸尿布材料的生产技术,将依托该技术生产作为全树脂电池基础材料的凝胶状树脂。该公司已经与化学厂商和生产设备厂商展开合作,确立全树脂电池的生产方法,并开始朝着量产的方向启动了试制品的供货。

    全树脂电池由含有电解液的凝胶状树脂将锂等电极材料进行包裹,作为电池的正极和负极。其特点是即使在完全充满电的状态下,无论是钻孔还是切割,都不会起火。生产成本预计在每瓦时12日元以下,低于传统锂离子电池的15-20日元。

    目前得到广泛应用的锂离子电池由日本旭化成的吉野彰等人开发,索尼公司于1991年实现商品化。近来围绕新一代电池的竞争变得更加激烈,原因就是传统产品的性能提升已经到了极限。例如在移动设备上无法消除由于电池原因而导致的起火事故。另外,要想让纯电动汽车和无人机等长时间行驶,仅靠传统电池的容量也已经很难满足要求。

    目前最受关注的新一代电池是“全固体电池”。TDK于2018年采用陶瓷型方式开始在世界上首次量产,丰田汽车和村田制作所等也在大力研发。不过多数观点认为正式普及要到2030年左右。

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    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2020-07-16
    •  锂离子电池在科技界扮演着核心角色,为智能手机和智能汽车等各种设备提供动力。日本一位电池开发者表示,他有办法将锂电池的量产成本降低90%,与此同时显著提高其安全性。   曾负责日产汽车(Nissan Motor Co.)电池研究的堀江英明(Hideaki Horie)于2018年成立了总部位于东京的APB公司,以生产“全聚合物电池”。   此前,日产汽车已向APB公司许可了一项先进技术,以生产这种电池。日产汽车于1990年代初开始研发锂离子电池,于1997年推出了Prairie Joy EV,并成为在商用电动汽车中安装锂离子电池的先驱。   今年早些时候,APB公司获得了包括建筑商大林组株式会社(Obayashi Corp.)、工业设备制造商横河电机株式会社(Yokogawa Electric Corp.)和碳纤维生产商帝人株式会社(Teijin Ltd.)在内的一批日本企业的支持。   今年3月,APB筹集了80亿日元(合7400万美元),虽然这笔钱显得有些微不足道,但足以为一家拟于明年开始量产的工厂提供全套设备。堀江英明估计,其位于日本中部的工厂至2023年装机容量将达到10亿瓦时。   成本更低 容量更大   “现在制造锂电池的问题在于,它的器件生产类似于半导体,”堀江英明在接受采访时表示,“我们的目标是使其更像钢铁生产。”   电池基本单元——电池芯的制造是一个复杂的过程,需要在洁净室条件下完成——需要控制湿度、持续的空气过滤,以防止高反应性材料受到污染。条件如此严苛,以至于像韩国的LG化学、中国的宁德时代和日本的松下电器这样的顶级电池公司需要斥资数十亿美元来建造工厂。   堀江英明的创新之处在于用树脂结构代替电池的基本组件——金属内衬电极和液态电解质,从而提高了安全性并降低了成本。他说,这种方法大大简化并加快了生产进程,就像“黄油抹面包”一样容易。   新型电池单元的正面和背面由聚合物集电器制成,正面和背面分别具有负极性或正极性,并构成电池盒的一部分。10米长的电池片可以“像座垫一样”堆叠在一起,从而增加容量。 传统电池和全聚合物电池示意图   安全性提升   锂离子电池自近三十年前首次商业化以来已经走过了漫长的道路。与十年前相比,它们的使用寿命更长,功率更大,成本降低了85%,成为推动智能手机和平板电脑内部功能越来越强大的主力军。   但是安全性仍然是一个问题,从特斯拉(Tesla Inc.)汽车到波音公司(Boeing Co.)的梦幻客机以及三星电子(Samsung Electronics Co.)的智能手机,电池一直是引起火灾的“罪魁祸首”。   堀江英明说:“从物理学角度来看,锂离子电池是人类创造的最好的加热器。”   不过,树脂电池在被刺破时具有防火性。在传统电池中,一个刺孔会产生成百上千安培的电涌,是普通家庭电流的好几倍。温度会上升到700摄氏度。而APB的电池使用所谓的双极设计,它消除了目前的电力瓶颈,并允许电池的整个表面吸收电涌,从而避免了这种灾难性的情况。   “由于发生了很多事故,安全一直是行业内的头等大事,”Wood Mackenzie储能团队高级分析师Mitalee Gupta表示。“如果该公司能够迅速扩大规模,这对于存储和电动汽车应用来说都是一个突破。”   不完美 聚焦固定电池领域   但是这项技术也不是没有缺点。总部位于加利福尼亚的咨询公司Total Battery Consulting Inc.的总裁Menahem Anderman认为,聚合物的导电性不如金属,这可能会严重影响电池的承载能力。   他表示,双极设计的一个缺点是电池芯在电池中背对背连接,使对单个电池芯的控制变得困难。他还质疑节省下来的费用是否足以与现有企业竞争。“在未来15年或更长时间内,锂离子液态电解质仍将是主要应用,”他说。   堀江英明承认,APB无法与那些已经投资数十亿美元并从规模经济中受益的电池巨头竞争。APB不会将目光投向汽车行业的“红海”,而是将业务重点放在建筑、办公室和发电厂使用的固定电池上。
  • 《国产航空复合材料用树脂研发史》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-07-05
    • 这两天,某权威媒体记者的一篇报道“是什么卡了中国碳纤维的脖子:环氧树脂韧性不足,缺股劲儿 亟待攻克的核心技术”风靡一时,占据了碳纤维界的头条,文中声称“目前国内生产的高端碳纤维,所使用的环氧树脂全部都是进口的。”不知道这位记者从哪里得到的信息,国外哪个公司如此胆大敢于卖给中国军用飞机结构用环氧树脂,又有哪架国产军用飞机有幸使用国外的高端环氧树脂。航空结构用树脂体系从来都是对中国的禁运物资,即使民用飞机也只卖给你预浸料,且严格监控产品应用对象。中国军机复合材料从来就没有用过哪怕1克国外的航空树脂。中国的高科技没有像有些人吹的那么好,但也不是像文中所说的那样一无是处。作为一名在航空领域耕耘数十年的一员,有必要把让大家知道航空人的业绩。 实际上对航空人而言航空复合材料用树脂从来就没有想过从国外进口。航空结构所用原材料迄今为止主要是预浸料,针对不同用途有不同种类的碳纤维与树脂的复合(即预浸料),例如波音公司早期使用最多的T300/5208,目前用的最多的是T800/3901-2,52098与3900-2都是市场上不可能购买的树脂。无论国内还是国外,无论是军机还是民机,航空复合材料用树脂从来就不可能从市场上购得,都是与碳纤维配套以预浸料形式供应,专供波音或空客的预浸料不可能供应别的公司,更何况树脂。 我国航空复合材料在军机结构上的应用,要追溯到1970年代中期,首个用于军机的碳纤维复合材构件是由当时三机部(中航工业公司前身)的320厂(今洪都航空集团)、625所(中航复材的前身)和623所(今中航强度所)研制的歼12飞机的进气道壁板,使用的是吉化的高强一号碳纤维,使用的树脂是通常用于玻璃钢的648环氧树脂,该制件于1977年12月28日首飞成功。 从1980年开始三机部又组织研制了强5和歼8-II碳纤维复合材料垂尾的研制,一开始仍使用吉化的高强一号碳纤维和市场上可购得的648环氧树脂,此后由于可从非正常渠道可购得性能优于国产碳纤维且价格更便宜的东丽T300,所以材料体系为T300/648。即使648只是一款性能极其一般的树脂,通过设计师的设计同样实现了减重20%的设计目标,且在役使用超过15年。 从上世纪80年代初航空人即已开始研发航空用环氧树脂,确实航空复合材料用环氧树脂“从配方体系。分子结构去分析,这是一个非常复杂的系统工作,而且科技含量高,研究难度大。”航空人硬是不怕邪,面对国外的禁运和封锁,经过30多年的不懈努力,已培养除了一支老中青结合的航空树脂研发团队,并研发出了几乎所有军机所需适合各种用途和应用对象的航空树脂。的确飞机用环氧树脂要求其与碳纤维复合后具有相当高的CAI(冲击后压缩强度),同时还需具有足够高的湿热条件下的开孔压缩强度,这是一对矛盾,但是航空人很好地解决了这对矛盾,目前军机用环氧树脂的CAI与空客A350和波音787所用树脂性能基本相当。不仅如此,高温使用的双马树脂和聚酰亚胺通常认为是军用物资,绝对是国外的禁运对象,即使是预浸料也不允许出口中国,但航空人同样研发出了性能与国外相当的树脂,完全能够满足军机研发的需求。航空人就是这样,不怕你封锁和禁运,当大量使用国外T300碳纤维时,通过自主研发研制出与T300复合后性能与国外树脂相当的树脂,本世纪初T300有价无市(相当于禁运)时,我们同样开发出了与国外性能相当的国产碳纤维CCF300和HF10A碳纤维,航空人和恒神人同时研发出了与国产碳纤维复合良好的相应的航空用树脂,复合后的性能基本上与国外所用相当。当然使用中与国外树脂在工艺性能方面有差距,但经过长期使用后一定可以与其相当。 在谈及航空用树脂的同时,有一位航空人值得大家铭记,那就是原中航625所的赵渠森(1936~2003)。赵渠森是一位抗美援朝时参军后来转业的公安干警,中专毕业后进入航空体系,长期从事航空材料的应用,上世纪70年代曾编译出版了国内第一本名为“复合材料”的专著,为国内复合材料界的入门必读之书。上世纪80年代他了解到国外正在开发航空用双马树脂,他本可以对此不闻不问,没有任何人向他布置研发任务,在国防重点科研项目规划中也没有对此立项,但他敏感地意识到国内军机研发一定会需要这种材料,主动把国家的需要作为自己的使命,开始研发航空用双马树脂。他从来没有研发过树脂,更何况航空用双马树脂,但他就是不信邪,利用各种机会向国内外专家请教,收集一切能找到的中文和外文资料,从零开始,经过千辛万苦,带领几位年轻的技术人员,终于研发出了国内第一个航空用双马树脂(西工大专业从事树脂研发的老师几乎同时也研发出了另一个双马树脂)。不过他有幸的是得到了所在单位有远见领导的大力支持,也有幸得到了军机型号研发相关总师的支持,将他开发的双马树脂用于正在研发的军机型号,当然应用过程中出现了各种各样的问题,有时几乎无解,其中的艰辛恐怕常人很难知道,但他坚定不移地破解应用过程中遇到的各种问题和困难,使其性能与国外同类树脂相当,并成功地用于新机复合材料结构。以此为基础,他带领他的团队开发出了一系列用于不同场合和需求的双马树脂体系,现在由他开创的双马树脂体系几乎覆盖了所有高速军用飞机复合材料结构。但他不幸在2003年因病去世,在他弥留之际时,仍念念不忘他的双马不足之处及相应的解决方案。 国产航空复合材料用树脂的研究和应用史告诉我们,这是一场封锁与反封锁的斗争,面对国外的封锁,像赵渠森这样的航空人就会站出来,研发出我们自己与国外性能相当的航空复合材料用树脂。此外历史还告诉我们,即使性能略差的树脂,通过设计师的设计,照样可以在军机结构上应用,实现减重的目标。这个经验可以同样用于国产碳纤维,即使性能略差,通过设计师的设计,同样可以开发出高性能的碳纤维复合材料结构,但前提是用户是否肯用。航空复合材料用树脂的应用是被逼无奈,即使性能略差,用户仍能坚定不移地支持其改进和提高,使之不断完善。国产碳纤维是否有这样的机遇呢?