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摘 要：日本3DOM等初创企业积极参与下一代电池的研发竞争，争夺市场份额。
关键字：下一代电池、二次电池、金属锂电池、隔膜、全固态电池、交流电池
围绕下一代电池的霸主之争正在升温。目前，从电动汽车（EV）到无人机，基本都采用锂离子电池作为动力源，但日本初创企业关于下一代电池的研发正展开激烈的技术竞争。各相关企业或对电极和催化剂进行最大程度的研究，或改变关注点把目标放在超越当前锂离子电池的下一代电池上。二次电池是日本的强项，但近年来中韩迎头追赶，因此日本对技术团队寄予厚望。
原松下公司的技术人员参加3DOM公司的电池研发
横滨市可谓是下一代电池研发的“梁山泊”（人才聚集之地），而由东京都立大学成立的初创企业3DOM就坐落于此，聚集了来自松下等大型电机制造商和汽车生产商的离职科研人员，以及寻求新发展的技术人员。公司成立之初，科研人员仅有东京都立大学的金村圣志教授，如今已达到约70人，最近一年内人数翻了一倍。
“能让我们测试一下电池性能吗?”，“我们希望与贵公司合作”，从欧美的汽车巨头到无人机制造商，3DOM公司接到的咨询源源不断。该公司计划到2022年实现“金属锂电池”的实用化。
在美国设立新工厂，布局下一代电池产业
在同等重量下，金属锂电池含有的能量是锂离子电池的2倍，其性能已经得到证实。该电池不仅可以大幅提高EV的续航距离，还可以搭载到飞行汽车上。
目前，锂离子电池的负极主要使用碳材料，而3DOM公司采用的是金属锂。金属锂虽然可以轻松提高电容量，但也有因短路起火的风险。
起火的原因是一种叫做“枝晶”的现象，由于化学反应不平衡，导致负极表面生长出柱状的结晶。3DOM公司自出研发了一种可抑制这种现象的隔膜（绝缘材料）。这种隔膜的表面像蜂巢一样，有序地排列着直径为数百纳米（十亿分之一米）的球状小孔。通过使作为离子通道的这些小孔大小一致，排列整齐，实现了整体均匀的化学反应。
隔膜的材料使用耐热聚酰亚胺树脂，在400摄氏度的温度下也不会燃烧。目前，3DOM公司在美国西雅图郊区的工厂生产锂离子电池，2021年将在美国开设新的工厂，为下一代电池的发展做好布局。
随着EV和无人机等的普及，锂离子电池市场持续增长。与此同时，以扩大电池容量、追求安全性、延长使用寿命等为目标的下一代电池的开发也在如火如荼地进行。
据富士经济的调查，2035年全球下一代电池市场规模将从2020年预测的42亿日元（约2.8亿元）达到2.7万亿日元（约1770亿元），成为一大潮流。车载电池市场中排名首位的中国宁德时代新能源科技（CATL）、排名第二的松下株式会社、以及在欧洲汽车市场占据优势的韩国LG化学这三大企业也在积极研发下一代电池。
其中，在小型化和快速充放电方面表现突出的“全固态电池”被视为最有力的竞争产品。除了丰田汽车和松下等老牌企业外，日本的一些初创企业也积极参与到了下一代电池的研发竞争中。位于仙台市的AZUL Energy公司就是其中之一，该公司专注于开发影响电池性能的材料，而非成品电池。
2017年，日本东北大学材料科学专业的薮浩副教授听到研究电池的学生产生的突发奇想后表示，“将这种颜料用作催化剂是不是很有意思？几乎没有将颜料作为电池催化剂的案例”，而且他预感这种方案或许可行。
薮副教授钻研的是金属空气电池，该电池以空气中的氧气作为正极的反应材料，以金属作为负极的反应材料，储存的电量是锂离子电池的3~10倍，被称为“终极电池”。
但是，金属空气电池的电流量很小。即使充放电性能很优越，如果输出功率小的话，也不适合用于EV等，目前90%的金属空气电池都用于助听器。薮副教授尝试用铁系颜料代替主流的锰作为电极的催化剂，结果发现，电流量提高了20%~30%。他计划进一步提高电池的性能以搭载到无人机上。AZUL Energy则打算与电池制造商共同研发这种催化剂。
AZUL Energy还聘请原富士胶片的技术人员伊藤晃寿担任负责人。对于薮副教授的邀请，伊藤深思熟虑后下定决心“要挑战大企业难以涉足的新领域”。
AZUL Energy将颜料用于电池催化剂
（图片均来自雅虎）
AC Biode作为京都市的初创企业，其电池独具一格。该公司的电池通过交流电进行充放电，因此名为“交流电池”。从原理上来讲，充电一次后使用的时间比同等大小的锂离子电池多30%。该公司2019年接受以欧盟机构为前身、支持创新性能源研究的荷兰InnoEnergy公司的投资。
交流电是指以一定的频率改变电子流动方向和电压的方式，主要用于输电供电和大功率电动机。电池一般通过转换器将交流电转换为直流电进行储存，而电动机等设备将电能转换为交流电再使用。但是，将交流电转换成直流电时会损失10%~20%的电能。据称，如果是交流电池的话，不仅可以减少电能损耗，寿命还可以延长到锂离子电池的2倍。
位于京都精华町的Connex Systems公司正致力于开发将燃料电池和空气电池（铁 - 空气电池）的原理结合在一起的“Shuttle电池”。该电池利用铁在水中生锈的反应制造氢气，然后通过氢气和氧气发生反应生成电。改进后的铁-空气电池能将氢气供给至燃料电池进行充放电。
锂离子电池过去一直是日本独大的领域，但近年来日本的锂离子电池市场正在被中韩夺走。虽说如此，日本在主要零部件领域仍然略胜一筹，在燃料电池隔膜方面，旭化成和东丽占据了30%左右的市场份额。在正极材料领域，住友金属矿山等也具有优势。
虽然初创企业也有希望，但是在车载用途方面，电池巨头和汽车制造商的关系逐渐加深，想要争夺市场并不容易。瑞穗银行的汤进先生对电池市场十分了解，他表示，“要想在竞争中胜出，关键是要与电池行业的巨头和客户合作，迅速扩大生产规模”。当这些初创企业解开生存下去的方程式之时，或许下一代电池的时代也将来临了。
翻译：肖永红
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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