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日本在锂电池领域的实力有多强?松下、索尼等7家企业技术路线详解
2019-10-14 21:29作者:管理员 来源:未知

日本旭化成名誉研究员吉野彰获得了诺贝尔化学奖。吉野开发的锂电池推动了智能手机和纯电动汽车(EV)的发展,给产业界带来难以估量的变革。有预测认为,世界市场规模到2022年超过7万亿日元。包括相关零部件在内,这是日本企业一直发挥优势的领域。另一方面,最近数年来,由于中韩企业迅速崛起,竞争日趋激化。


锂电池时代

 

随后的1991年,全球正式推出了商品锂电池。1年后,吉野彰在公司的帮助下,担任了离子二次电池事业推进部商品开发组组长,1994年8月再次成为株式会社A&T蓄电池技术开发部部长。

 

当时,旭化成开发的锂电池并不好卖,一段时间内几乎无人问津,突然有一天销路被打开了,那是1995年,“对于我们来说也是非常重要的一年,因为全球进入了移动IT时代,手机、平板电脑都要大量使用锂电池,整个世界走向了移动互联,所以锂电池也呈现了几何级的增长。”

 

1995年,微软发布了具有划时代意义的Windows95操作系统,它带着“我的电脑”、“IE浏览器”等一系列发明一路狂奔、战无不胜,全球科技界对Windows95的横空出世不断惊声尖叫,而这对于大洋彼岸的科学家吉野彰而言,印象也太深刻了。

 

“我们身处IT社会。这场IT革命起源于1995年。正是在那一年,微软发布了Windows95。也就是在那之后,锂电池引领了全球的抢购风潮。”他说道。而吉野彰及一批科学家的新成果,也获得了来自世界各地学会和专家们的共鸣。

 

由于技术出众,1999年起无数大奖被他一一揽入:日本政府的“紫绶褒章”、美国电气和电子工程师协会(IEEE)的“IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies”(环境与安全科技奖章)、全美技术学会的最高奖项“The Charles Stark Draper Prize”(查尔斯·斯塔克·德雷珀奖)等。

 

在科技进步的推动下,旭化成电子业务也取得了惊人成就。

 

成立于1922年的旭化成株式会社是日本著名的化工企业,2016年主营化学品的销售额为84.49亿美元,全球化工企业排名39位。这家日资巨头从工程塑料、防火防震的建筑材料到医药用品、医疗器械以及电子等都处于世界领先。

 

吉野彰所在的锂电池研发,属于旭化成材料领域,公司也极为重视。

 

就商业产成品来说,旭化成在全球锂电池行业的影响力则体现于隔膜材料的第一话语权,拥有世界最高市场份额。凭借着2015年2月斥资22亿美元收购全球第三大电池绝缘体生产商美国Polypore International公司的这一举动,成为了干湿法隔膜的主导厂家。

 

2017年3月,旭化成宣布投资150亿日元,用于滋贺县守山市的锂离子二次电池(LIB)用的隔膜,实现锂电隔膜2亿平方米/年的产能,并预计在2020年实现11亿平方米/年的产能。

 

由于隔膜在生产过程中技术壁垒不低,对设备及设计、产品批次稳定性以及工人熟练程度都有着很高的要求,因此这一领域被日本旭化成、韩国SKI、东丽-BSF以及美国Celard等四大企业垄断,市场占有率高达70%。不过,随着锂电池需求的增大,中国企业如沧州明珠、星源材质也在尽快谋求发展,赶上锂电池快速发展的节奏。

 

多技术路线并举

 

20多年前,当Windows95到来的那一刻,吉野彰彻夜难眠。如今,他对于锂电池的发展前景依然充满着期待。

 

“就锂电池本身而言,现在主要应用在两大领域:一是移动式产品,如手机、电脑,占锂电池使用量的2/3左右;第二大领域便是车载电池。世界变化的速度实在太快了,根据我们2010年掌握的数据统计,当时车载用锂电池几乎是零,现在则要达到30%多,以后这一比例可能还会不断增加。电动汽车的出现,等于给锂电池打开了一个新的应用方向,是全新的商业机遇。”

 

他不否认,目前车载电池还是有一些弱点的,但这并不能归结于锂电池本身的技术困境,也有一些客观原因。笔记本电池毕竟经历了20多年的时间,但车用电池的使用时长从被开始使用到目前还很短暂,汽车行业在一边摸索新车型,一边研发及制造着锂电池。

 

另一方面,一辆汽车推出市场的时间很久,从设计到下线通常需要5年的时间,而2017年的一款全新电动汽车可能是2012年设计出来的,包括锂电池等配套产品也是过去的设计。

 

反过来讲,现在这辆新车其实装的是一块老电池。但是科技研发的速度很快,有的3个月就需要更新一次,锂电池也要面对这种技术难题。

 

“所以说,有人认为电动车的续航里程还是太短,应尽快解决,我认为锂电池确实有提高的空间,但你要明白车的开发和电池的周期性特点,给它一些时间来解决。如2015年,人们看到了续航里程为200公里左右的电动车,那么到了2020年你可能会看到续航400公里左右的车型。当然也不排除个别车企在设计、研发及生产环节中比别人跑得更快,这也是阶段性的突破。”吉野彰说,续航距离会有变化,真正会变化到什么程度,现在也很难确定。

 

LIB种类多样,市面上就有磷酸铁锂、三元锂及钛酸锂等各类技术路线。

 

吉野彰认为,从续航距离看,三元锂电池还是有很大的优势,但如果车主和乘客并不在意每天的路程有多远,而是考虑安全性和耐温能力的话,那么磷酸锂电池和钛酸锂电池确实也是好的选择。“你不能说哪个技术一定是最强的,还是要看你对汽车的性能、安全性和其他需求是什么,所以我感觉在一段时间内锂电池的发展还是多重技术路线并举的。”

 

让他更为诧异的,还有中国锂电池军团的突围。“比亚迪、CATL等企业都有着非常强劲的动力,技术层面上也很乐观,”吉野彰说道,日本和中国在制造锂电池方面也有一些不同,“最大的区别在于材料上。

 

日本在材料上的研发时间更长一些,因为有过去积累的经验,所以和近期崛起的中国厂商还不太一样。反过来说,生产装配、新机器等,两国企业没什么大区别。还有一点较关键,锂电池是用在哪个国家、哪个市场的,当地的需求是什么,要怎么去抓住它。”

 

他说道,目前锂电池主要在日本、中国及韩国等三地企业中竞争,不排除美国和欧洲也会产出,“我认为未来需要关注的是欧洲市场,它会有很大的机会。”

 

 

吉野开发出了将正极材料、负极材料、电解液和隔离层(绝缘材料)的最佳材料组合起来的电池基本结构。这4种零部件明显影响电池的输出功率、安全性和使用寿命等,是日本的材料厂商具有优势的领域。

 

例如,吉野所属的旭化成截至2018年是绝缘材料的世界最大制造商。在树脂等很薄的薄膜方面,采用了该公司具有优势的人工透析膜等技术。

 

旭化成2015年斥资约2600亿日元收购了同行业的美国Polypore International,正在加强相关业务。目前正在日美的基地推进生产设备的增强,计划到2021年度,使绝缘材料的年产能力比2018年度翻一番。

 

在绝缘材料领域排在第3位的东丽也决定在匈牙利建设欧洲首座工厂,力争2021年投产。总投资额约为240亿日元,希望争取来自有望在欧洲普及的纯电动汽车的需求。

 

在以镍和钴作为原料的正极材料领域,世界首位的住友金属矿山以面向纯电动汽车为中心扩大销售。该公司尤其专注于可实现电池的高容量化、1次充电的续航距离延长的镍系。

 

关于以石墨为主要原料的负极材料,除了日立化成之外,三菱化学与昭和电工等日本企业也均有涉足。日立化成2012年推动在石墨中加入能提高电池容量的硅材料的产品实现实用化。

 

电解液方面,在面向纯电动汽车等汽车方面,三菱化学掌握世界首位份额。

 

锂电池首先因用于笔记本电脑等而普及,但拉动今后增长的是纯电动汽车等车载领域。世界性的环保政策的强化形成东风。据调查公司富士经济(位于东京中央区)统计,锂离子电池2019年的世界市场规模预计达到约4.79万亿日元。到2022年将增至5成,达到约7.39万亿日元。

 

另一方面,迅速加剧的是电池的“货品化(commoditization)”。当初日本企业占市场份额的大部分,但随着制造技术的普及,门槛降低,韩国和中国企业以低价格为武器相继涉足。在车载电池领域,中国宁德时代新能源科技(CATL)从松下夺走份额首位宝座。

 

在零部件领域,日本企业仍维持优势,但今后如何在技术实力和盈利方面确保竞争力成为课题。

 

尽管在全球锂电市场占比中,日本在走下坡路,但日本却一直牢牢占据着锂电高端市场的主导地位,其锂电技术也是整个行业的风向标。

 

一、日本锂电池企业技术路线概况

 

 

二、各企业技术路线详情

 

1、松下-三洋电机

 

正极材料

 

研究开发锰酸锂掺杂镍、铝等元素的固溶体类正极材料,以此作为电池的正极材料。目前,已开发出的正极材料有镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等,并已经在规模化应用。

 

此外,为解决镍氧化物带来的热稳定性低和安全方面的问题,在正极材料表面进行了纳米涂层处理。

 

负极材料

 

目前主要使用碳材料,但同时在积极开发硅合金类负极材料,且已经部分实现应用。

 

2、 NEC-AESC

 

通过掺杂镍、铝等元素改善锰酸锂材料能量密度低的不足,实际上路线和松下类似。不过,NEC看起来更大胆一些,正在开发比容量高一倍的镍钻合金的材料来取代锰材料。

 

目前,此新型正极材料的应用,已经解决了电池耐久性的问题。NEC正在积极开发动力锂电池专用的电极材料,目前已实现应用。

 

3、 日立

 

负极材料

 

日立负极材料的开发目前有两种路线:

 

1.在碳材料的基础上改进;

2.开发硅合金材料与碳材料的混合体SiO-C。

 

同时,开发弹性极限应力高且加工性能出色的新型铜箔作为电极材料。

 

隔膜

 

在隔膜方面,已经开发出耐200℃高温的陶瓷隔膜材料,是在普通的聚烯烃(Polyolefin)制成的多孔膜上涂布板状的无机微粒子,目前该隔膜材料已经实现应用。

 

4 、东芝

 

东芝主要通过提高正极材料的粒子密度来提高电池的能量密度。为将锰钛电池的性能做到最优,东芝使用了燃点较高的电解液和耐热性能出色的隔膜。

 

5 、英耐时

 

英耐时坚定地走锰酸锂路线,其锂电池技术水平在所有日本企业中处于领先行列。目前,英耐时提供的动力电池的产品数据都不错,但还需经量产检验。

 

6、 GS汤浅

 

GS汤浅在锰酸锂和磷酸铁锂两条路线上都在积极前进,锰酸锂的主要产品有EH6、LEV50,磷酸铁锂的主要产品有LEV25、LIM40。

 

7 、索尼

 

索尼在开发磷酸铁锂电池的同时,还在积极开发钴酸锂+锡基合金材料的动力电池。索尼的办法是在钴酸锂材料的粒子表面“进行了0.1~1pm厚的覆膜处理”,正极材料由钴酸钽和三元材料混合而成,同时采用陶瓷隔膜提高安全性。


 

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