什么是下一代二次电池？

什么是下一代二次电池？

2023/10/25

下一代二次电池

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-迈向超越锂离子二次电池的电池-

用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是下一代二次电池？

可以反复充电和使用的电池称为二次电池（蓄电池）。从智能手机到电动汽车，它们在我们的日常生活中随处可见。锂离子二次电池（LIB）目前已投入实际使用并且最受欢迎。然而，锂离子电池并不是万能的，还有许多挑战需要克服，例如减轻重量、小型化、提高充放电性能、延长寿命和提高安全性等。克服了这些挑战并具有替代锂离子电池潜力的可充电电池被统称为“下一代可充电电池”。更安全的全固态电池有望用作车载电源。目前，世界各地正在进行各种研究和开发工作，以实现下一代二次电池。

什么是下一代二次电池？

取代当前锂离子二次电池的“下一代二次电池”

与碱性电池等一次性一次电池不同，二次电池是可以充电并重复使用的电池。您可能对充电电池和蓄电池更熟悉。二次电池包括铅酸电池和镍氢电池，但目前二次电池的主流是使用含有锂的化合物的“锂离子电池（LIB，现在的LIB）”。诺贝尔奖获得者吉野彰于 1985 年提出了这一概念，自 1991 年由一家日本公司首次商业化以来，它已广泛应用于我们周围的各种产品，包括智能手机、笔记本电脑和电动汽车 (EV)。各方面的性能不断提高，使用电力时，现在可以快速提取足够的能量，快速充电，并提高耐用性。然而，由于材料本身性能的限制，目前的锂离子电池的性能也受到限制。因此，替代现有锂离子电池的新型二次电池的开发正在取得进展，例如使用新材料作为电池电极材料以及将电解质改为固体。有潜力取代当前锂离子电池的二次电池统称为“下一代二次电池”。

提高车载/固定应用的性能和稳定的资源采购

　更高效、更小、能够以更高密度存储能量以取代当前锂离子电池的下一代二次电池的开发取得进展的主要原因是全球正在走向碳中和，从而将温室气体排放总体减少到零。要实现碳中和，必须提高太阳能、风电等可再生能源在总用电量中的比重。然而，可再生能源容易受到气候和天气条件的影响，这可能导致供需之间的不匹配。因此，需要广泛使用能够存储所产生的电力的高性能二次电池。

　电动汽车等交通设备的开发也需要下一代二次电池。二氧化碳 (CO₂) 如果低排放电动汽车中安装的电池的性能得到改善，一次充电即可行驶更远距离的车辆将成为现实，并且它们将越来越多地取代汽油动力汽车。目前正在研究用电力替代化石燃料，不仅为汽车提供动力，还为飞机提供动力。需要开发比当前锂离子电池具有更高能量密度和更长寿命的下一代二次电池。

　下一代二次电池因资源限制而受到关注。目前锂离子电池正极用钴资源严重短缺，储量分布不均也带来地缘政治风险。也有人指出，锂资源可能出现短缺。为了应对当前锂离子电池中所用材料日益增长的需求以及与其采购相关的风险，利用新材料的下一代二次电池的开发正在进行中。

下一代二次电池的类型和特性

　下一代二次电池的研发大致可分为以下三类。

①先进锂离子二次电池（先进LIB）：在现有LIB的基础上改进了性能
　Advanced LIB 基于当前的 LIB 机制，并进行了改进以提高性能。目前正在研究通过使用正极中含有大量锂的被称为“过量锂”材料的材料来增加电池的容量，并通过使用比平常溶解更多电解质盐的浓缩电解质来延长循环寿命。

②下一代二次电池（狭义）：采用与目前锂离子电池完全不同的正负极材料
　正负极使用与现有锂离子电池不同材料的电池，狭义上称为下一代二次电池。与现有的锂离子电池相比，为了延长寿命、减轻重量并增加容量，正在开发使用硫或氟化合物作为正极材料、使用钠或镁作为负极材料的锂离子电池。

③全固态锂离子二次电池（全固态电池）：由于安全性提高而作为车载电源而受到关注
　使用固体电解质的全固态锂离子二次电池（全固态LIB）具有耐温度变化和着火风险低等安全优势。此外，由于它能够快速充电并具有高能量密度，因此车载用途的开发正在取得进展。 （AIST 杂志：什么是全固态电池？）

　世界各地的研究机构和公司在不断研究和开发的同时，竞相实现并批量生产下一代二次电池。实现超越当前锂离子电池的性能、安全性和成本的下一代二次电池是一个艰巨的主题，不仅在性能方面，而且在资源限制和环境负担方面都必须克服许多问题。然而，下一代二次电池是一个研究领域，一旦投入实用并量产，将对世界产生巨大影响。 AIST将继续研究和开发可用于各个领域的下一代二次电池，从当前的LIB到全固态电池，再到创新电池。