未来钠离子电池将不再使用稀有金属

2010年，钓鱼岛海域发生中日撞船事件后，中国开始从实质上限制稀土出口。稀土是混合动力车用电动机和有机EL显示器等高科技产业必不可少的资源，也被称作“产业的维生素”。 中国这个世界最大的稀土生产国开始限制出口，采购危机随之出现，稀土价格飙升。磁铁使用的钕和镝的价格在2011年7月达到顶峰，是2007年的30倍以上(瑞穗实业银行产业调查部的调查结果)。不仅是日本，全世界的企业都遭受了沉重打击。

之后，随着回收再利用技术和不依赖稀土的产品开发的进步，中国的稀土价格逐渐回落。2014年，世界贸易组织(WTO)认定中国实施的出口限制违规。2015年1月，中国政府做出了撤消出口限制的决定。

但稀土等稀有元素的危机并未就此结束。稀土只是31种稀有金属中的一部分，其他元素也完全有可能遇到出口限制之类的问题。

锂也是一种常用的稀有金属，主要应用于电池。开发锂电池的目的，是为了满足手机和笔记本电脑对于高容量、小型电池的迫切需求。1991年，索尼在全球率先实现了锂电池的商品化，横扫了整个市场。不仅是移动设备，还得到了固定式电池和车载电池等广泛用途的采用。富士经济预测，到2018年，全球锂电池市场将扩大到2万亿日元的规模。

日本的锂全部依靠从南美等地进口。随着市场扩大，确保未来资源供应和成本问题逐渐显现。

而且，锂电池除了锂之外，还使用另一种稀有金属——钴。NTT设施综合研究所的调查显示，利用现行技术生产1辆纯电动汽车(EV)，大约要使用20kg的锂和大约40kg的钴。即便把全球的产量都供应给EV，每年产出的锂只够700万辆车使用，而钴仅够100万辆车使用。随着再生能源的普及，如果大型蓄电池的需求增加，资源枯竭和价格暴涨不可避免。

面对这种情况，政府不能袖手旁观。作为国家的危机管理措施，开发摆脱稀有元素依赖的技术——从2008年开始，日本启动了名为“元素战略项目”的全国性研究项目。后锂电池的开发也是项目之一。

该项目提出用钠来替代锂。在元素周期表上，钠就在锂的下方，性质与锂相似。钠最大的好处是在海水等资源中含量丰富，是“取之不尽”的元素。

不过，钠离子电池的开发却长期不受关注。“用钠做电池，根本行不通”，尽管材料的性质与锂相似，但材料化学专家之间依然存在这种认识。离子电池是利用离子在正极与负极之间的移动进行充放电的。在这个过程中，离子需要顺畅地进入正极与负极的材料之间。钠离子的体积大约是锂离子的两倍，很难进入电极材料，按照一般观点，钠离子无法在实用中实现充放电。因此，直到1990年代，研究人员都几乎忽视了钠离子电池。

然而，日本的研究人员颠覆了这一固有观念。2009年，随着材料开发的进步，钠离子电池的开发稳步推进。东京理科大学教授驹场慎一(当时为副教授)的研究小组，通过在负极使用碳系材料，在世界上首先成功实现了钠离子电池的重复充放电。打破过去10次左右的充放电极限，开发出了可以重复使用几百次的电池，为实用化开辟了道路。

以这项研究为契机，全球掀起了研究钠离子电池的竞争。论文数量在2009年之后快速增加。“全球发表的论文数量估计是以前的几百倍”(驹场教授)。

钠离子电池有三大优点

一是原料成本低。不仅不使用锂、钴等稀有金属，而且通电的基板可以使用铝，而不是铜。因为不使用高价材料，所以“与锂电池相比，成本至少可以减少1成，顺利的话可以减少3成”(驹场教授)。

二是可以沿用现有的生产工序。钠离子电池的工作机制与锂离子电池相同，电池企业的现有生产设备可以直接用来生产钠离子电池。因为基本不需要设备投资，所以各家企业容易将其作为替代电池开展生产。

三是可以快速充放电。驹场教授说：“在原理上，钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5。”只要实现了快速充电，自然就能缩短EV的充电时间。东京大学研究生院教授山田淳夫等人的研究小组发现，钛和碳制成的片状化合物会吸附、释放大量的钠离子。以这种化合物为电极试制的电池，即使反复进行快速充放电，性能也不会劣化。山田教授预测：“钠不会马上取代锂，而是会在适合其特性的用途，作为锂的一种替代品，逐渐得到采用。”

为了使具备上述优点的电池实现商用化，很多家民营企业正在进行开发。例如，住友电气工业在2013年开发出了即使电池内部温度较低也能工作的钠离子电池。因为无需散热空间，所以体积成功缩小到了锂电池以下。目标是应用于住宅用蓄电池和纯电动汽车。

丰田虽然没有公布消息，但估计也在一直在为HEV和PHEV开发钠离子电池，作为镍氢电池和锂电池的替代品。在2015年5月召开的日本电气化学会的电池技术委员会上，该公司的电池研究部宣布，为钠离子电池的正极开发出了新材料。

三菱化学一直在与东京理科大学的驹场教授开展合作研究。“具体名称不能透露，包括海外企业在内，共有4、5家企业正在参与合作研究”(驹场教授)。

钠离子电池虽然是企业竞相开发的热门，但也存在课题：电池中储存的能量比锂电池少。因为钠比锂重，所以同样重量的电池，锂电池的容量更大。

经过近些年的开发竞争，钠离子电池的储能量达到锂的90%，已经可与之并肩。不过，驹场教授说：“如果没有新的突破，实用化很难。不过我认为是可以实现的。”这样说的原因是，钠离子电池的正极和负极可使用的材料种类繁多。

铁、锰、镍、碳，等等，不仅可使用的材料多，而且，通过以不同的配比，或在不同温度下进行混合，电池的性能会发生改变。锂电池的材料经过了30年的优化，而钠电池掀起研究竞争才不过5年左右，自然隐藏着巨大的可能性。

从铅电池、镍氢电池到锂电池，电池产业一直被视作日本的看家本领。但近年，在韩国等地的企业的冲击下，日本厂商的份额正渐渐流失。钠离子电池作为新一代电池赢得了关注。为了不使用稀有金属，在国家战略的层面上实现危机管理，也为了让日本的电池产业重返世界巅峰，钠离子电池的商用化进程正在加快脚步。