隨著地球變暖威脅的迫近，全球下決心在2050年之前實現溫室氣體凈零排放。純電動汽車（EV）和家庭生活將積極使用替代化石燃料的可再生能源電力，這就需要大量的蓄電池。不過，就算擁有性能卓越的鋰離子電池，也難以高枕無憂。因為即便鋰電池是蓄電池的「王者」，在存儲電力的容量和價格方面也日趨面臨極限。2030～2040年，全球被認為將迎來「電池時代」，日本經濟新聞（中文版：日經中文網）策劃了一組這一時代主角的新一代電池的研發進展。

     

日本九州大學將開發採用氟、氯和溴的電池（圖由該大學提供）

         

      「存儲電力的容量超過鋰」，日本九州大學的研究團隊對於新主角的亮相充滿期待。

 

      新型電池産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毫安培時。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通過電線同時獲得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産業技術綜合開發機構（NEDO）的支援。

   

  

      據日本地球環境産業技術研究機構（RITE）統計，要在2050年之前實現溫室氣體凈零排放，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性能的步伐。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，性能卓越的鋰電池也在向極限靠近。其性能已經逼近每升800瓦時的上限。

  

      日産汽車的純電動汽車採用的62千瓦時鋰離子電池可在約4天裏滿足每天使用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。而西班牙的巴塞隆納材料科學研究所等關注的是鈣。在低於此前的100攝氏度運作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，在生産工序等方面還存在很多課題。

    

鉀（K）離子電池的複製品（圖由東京理科大學提供）

        

      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性能明顯改變，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。

 

     在義大利的伏特于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。

      

    日本經濟新聞（中文版：日經中文網）草鹽拓郎

  

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