憑借新材料 電動汽車性能將超過汽油車

現行純電動汽車的基本性能在很多地方還都趕不上汽油車。但是，包括能夠行駛更長距離的充電電池和能夠大幅降低成本的燃料電池技術在內，支撐新一代純電動汽車的有力技術正在穩(wěn)步發(fā)展。

“2016財年之后還要等2～3年”——在“第43屆東京車展2013”上，日產汽車社長兼首席執(zhí)行官卡洛斯·戈恩（Carlos Ghosn）調整了純電動汽車（EV）的普及計劃。而按照戈恩之前提出的目標，日產汽車與法國雷諾相加，EV的銷量要在2016財年之前便達到150萬輛。

談到目標為何落空，戈恩認為充電基礎設施不夠完善是原因之一。但反言之，這也意味著現行EV的行駛距離達不到要求。也就是說，要想在今后將EV打造成為具有魅力的產品，只有提高直接影響行駛距離的車載充電電池的容量一條路可走（圖1）。

圖1：純電動汽車依靠材料革新克服課題

面對純電動汽車存在的諸多課題，通過改進材料，探索根本解決措施的動態(tài)愈發(fā)活躍。無線供電通過結合自動泊車技術提高便利性。

2015年要開始投入量產的燃料電池車（FCV）面臨著成本與量產性的課題。最大的阻礙是燃料電池組使用的鉑（Pt）催化劑。如何減少鉑的使用量，或是實現“無鉑”將成為車輛開發(fā)的競爭焦點。

純電動汽車的主要部件——驅動馬達也存在資源風險。為了防止溫度上升時磁性減弱，驅動馬達使用的釹-鐵-硼（Nd-Fe-B）類燒結磁鐵（釹磁鐵）添加有稀土鏑（Dy）。為了避免價格暴漲和資源風險，發(fā)展無鏑馬達的步伐也在加快?，F如今，逆變器對于提高效率、小型化的需求越來越大，低成本、低損耗的新一代功率半導體備受期待。

提升純電動汽車便利性的開發(fā)也在推進之中。在無線傳輸電能的無線供電方面，關于標準化的討論正在如火如荼地進行。日產汽車已經公開宣布“要在2014年內投放配備無線供電功能的EV”（戈恩）。

充電電池：純電動汽車和燃料電池車的核心部件，對于新材料的探索仍在繼續(xù)

EV的銷售增長雖然不及預期，但毋庸置疑的是，在未來，隨著二氧化碳排放標準的強化，EV必將成為重要的戰(zhàn)略車型。EV普及的一大關鍵，在于高能量密度的充電電池的開發(fā)。

另一方面，企業(yè)要想滿足環(huán)境標準的要求，除了發(fā)展EV之外，普及利用燃料電池替代發(fā)動機的FCV也是一個方向。FCV也需要配備充電電池。根據充電電池性能的不同，燃料電池需要的輸出功率也大不相同。

在此背景下，全球的充電電池開發(fā)競爭日趨激烈。開發(fā)的主線是為鋰離子充電電池探索新的可用材料（圖2）?，F行EV鋰離子充電電池一個單元的能量密度為60～140Wh/kg。小型EV充電1次只能行駛160公里左右。因此，EV首先需要將電池單元的能量密度提高到250Wh/kg左右，使1次充電的行駛距離達到約300公里。

圖2：純電動汽車的普及必須依靠電池性能的飛躍

EV和PHEV使用的鋰離子充電電池的能量密度將力爭在2020年達到250Wh/kg，在2030年達到500Wh/kg，實現全面普及。

為了提高容量，硅（Si）類負極材料即將在車載領域投入實用。在理論上，硅能夠實現的容量，約是當前使用的石墨材料的10倍。但硅在充放電時的膨脹和收縮過大，壽命方面存在難點。

作為改善膨脹和收縮問題，同時提高容量的材料，一氧化硅（SiO）等硅類氧化物成為了關注的焦點。例如，大阪鈦業(yè)科技推出了具備非晶構造的一氧化硅。該公司制造的一氧化硅的負極容量為1700～1800mAh/g，大約是石墨的5倍。

積水化學工業(yè)也證實，通過利用自主開發(fā)的硅類氧化物，能夠實現340Wh/kg左右的能量密度。其特點是使用離子導電度與電解液相當的凝膠電解質，無需注入電解液，只需一道涂布工序即可完成整個單元的制造。

積水化學工業(yè)將從2014年夏季開始供應樣品，在2015年首先面向消費類用途實現商品化。而車載用途需要材料認證、適用審查等繁瑣的步驟，商品化最早也要等到2018年前后。

力爭達到500Wh/kg

還有看法認為，EV要想趕上當前的汽油車，使行駛距離達到500公里以上，才能真正進入EV時代，此時電池單元的能量密度要提高到500Wh/kg以上。這就需要采用新的電池構造。比方說爭取使用金屬鋰（Li）和硫（S）等大容量電極材料，但傳統的電解液存在的課題眾多，因此，使用固體電解質的全固體電池成為了關注的焦點。

在基礎研究中，與只有1個電子活動的1價鋰離子相比，使用擁有2個電子的鎂（Mg）、鋁（Al）、鈣（Ca）的多價陽離子電池更加活躍。除此之外，這些金屬材料的儲量豐富。不同于鋰電池，可以使用鐵類正極材料的鈉離子充電電池的研發(fā)也熱氣騰騰。

燃料電池：不脫鉑就無法普及，著眼于穩(wěn)定性好的氧化物催化劑

“填充3分鐘的氫氣可以行駛500公里以上。實現了與汽油車相同的易用性”——在豐田負責開發(fā)FCV的田中義和（該公司產品策劃本部ZF主查）自豪地說。在他的面前，是該公司在“第43屆東京車展2013”上全球首發(fā)的概念車“TOYOTA FCV CONCEPT”。

但這款車與汽油車相比，存在著一個決定性的差異。那就是價格。大部分觀點都認為，豐田2015年推出的車輛售價屆時將“超過500萬日元”。

成本高的原因之一是燃料電池組使用的鉑催化劑。到2015年，1輛FCV估計將使用50～100g鉑。到FCV正式進入普及期的“2025年前后”（本田高管），汽車企業(yè)必須大幅減少鉑的使用量。

不只是成本，從風險管理的角度出發(fā)，也需要減少鉑的使用量。因為鉑的儲量9成在南非（圖3），而南非礦石的鉑含量正在逐年遞減。

圖3：鉑儲量集中在南非

調查數據顯示，鉑的年供應量約7成來自南非。全球儲量的9成位于南非。

在降低燃料電池組鉑使用量的研究中，與其他金屬制成合金提高鉑催化劑的活性、使用鉑包覆貴金屬和賤金屬的“核殼催化劑”的開發(fā)進展顯著。但要想從根本上解決問題，“只有‘脫鉑’一條路可走”（橫濱國立大學研究生院工學研究院綠氫研究中心主任太田健一郎）。

FCV配備的PEFC（固體高分子形燃料電池）要在低于100℃的低溫下工作，反應速度很慢。因此，必須使用鉑催化劑，促進空氣電極的氧化還原反應（ORR：oxygen reduction reaction）。過去的研究一直把思路放在尋找ORR活性大的材料上面。

但太田的研究小組轉換方針，開始尋找化學穩(wěn)定性高的材料。經過不懈地探索，他們發(fā)現，第四和第五周期的過渡金屬氧化物穩(wěn)定性高（圖4）。氮氧化鉭（TaON）和氮氧化鋯（ZrON）在酸性電解液中的溶解度不到鉑的10分之1，而且，在長時間浸泡后，ORR活性也沒有改變。

圖4：放眼穩(wěn)定性尋找材料

日本橫濱國立大學的太田等人把目光投向了穩(wěn)定性超過鉑的材料（a）。候選材料的儲量均大于鉑（b）。制作的氧化物類催化劑的電流密度在4年間提高到了原來的1000倍（c）。

最新成果顯示，鋯氧化物類催化劑（Zr-CNO（Pc））具有高ORR活性（圖4（c））。這種催化劑以ZrOPc為起始原料，使用多層碳納米管（MWCNT），同時滿足了導電體和載體的作用。

目前的電流密度“約為鉑的1/10～1/50左右”（太田）。但是，“目前有不少方法可以提高鋯和鉭等氧化物類催化劑的ORR活性”（太田）。該研究小組將力爭從2017年開始提供樣品，在2025年前后將其應用于FCV。

大發(fā)開發(fā)液體燃料

在普遍認為PEFC將會成為FCV燃料電池的主流的情況下，大發(fā)工業(yè)則提出了不同的觀點。該公司認為，“考慮到易用性，液體燃料才是最佳選擇”。在2013年的東京車展上，展出了概念車“FC 凸 DECK”（圖5）。這輛汽車通過更換燃料瓶的方式補充液體燃料。設想使用的燃料是水合肼和二氨基脲。

圖5：改進液體燃料

大發(fā)工業(yè)的FCV概念車“FC 凸 DECK”在“第43屆東京車展2013”上首度展露真容。使用無需貴金屬的液體燃料是最大的特點。

與水合肼相比，二氨基脲沒有毒性，更易于儲存和使用。但輸出功率較低，因此，目前的開發(fā)是2種燃料并行。因為電解質膜使用的是陰離子交換膜，所以催化劑可以采用鎳類和鐵類。

馬達：無鏑一舉解決資源問題和高性能化

與燃料電池相同，馬達也背負著資源風險。這是因為左右馬達性能的磁鐵大量使用稀土。面向純電動汽車的馬達必不可少的釹磁鐵含有重量比約為8％的稀土鏑（Dy）。

釹磁鐵使用鏑是為了在170～200℃的高溫下維持較高的矯頑力。但鏑不僅產量主要集中在中國，而且會對磁鐵的性能產生影響。日本物質材料研究機構（NIMS）研究員磁性材料組組長寶野和博說：“使用鏑的話，會使磁鐵能夠對外做功的最大值，也就是最大能量密度大幅降低?！币虼耍绻軌蛑圃斐觥盁o鏑”的釹磁鐵，資源和性能兩大課題即可迎刃而解。

無鏑釹磁鐵的開發(fā)日趨活躍，昭和電工已于2013年11月底面向FA投入量產。其性能與添加了4％的鏑的釹磁鐵不相上下。

釹磁鐵的矯頑力隨晶體粒徑的微細化增加（圖6）。寶野等人與豐田合作，正在著手開發(fā)晶體粒徑不到1μm的釹磁鐵。現在，晶體粒徑為0.2μ～0.3μm的試制品的矯頑力達到了約2T。“符合純電動汽車需要的2.5～3T的實現已經進入了視野”（寶野）。在這項研究中，縮小晶體粒徑采用了熱加工處理的方式。處理得到了大同電子的協助。

圖6：縮小晶體粒徑，不依靠鏑提高矯頑力

釹磁鐵具有晶體粒徑越小，越容易提高矯頑力的傾向。熱加工是使晶體粒徑小于1μm的有效方法。（圖：《日經電子》根據日本物質材料研究機構的資料制作）

除此之外，馬達開發(fā)還出現了開創(chuàng)新構造的動向。芝浦工業(yè)大學工學部電氣電子學群電子工學科副教授赤津觀正在開發(fā)利用GMR（giant magnetoresistance）元件替代線圈的馬達（圖7）。

圖7：利用GMR元件制造自旋電子馬達

芝浦工業(yè)大學的赤津提出了利用GMR元件制造自旋電子馬達的方案。目的是把定子更換為GMR元件，借此提高扭矩密度。（圖：《日經電子》根據芝浦工業(yè)大學的資料制作）

GMR元件可以利用電流控制磁化方向。使用GMR元件作為馬達的定子，使用永磁鐵作為轉子的“自旋電子馬達”已經出現。

鐵心采用線圈的傳統定子會因為銅線的銅損導致扭矩降低。而采用GMR元件可以消除銅損，從而實現高扭矩馬達。馬達目前尚處于工作驗證階段，“首先將爭取在醫(yī)療器械等小型產品中投入實用”（赤津）。

逆變器：替代碳化硅的氧化鎵，力爭2020年供應樣品

逆變器的作用是將大容量充電電池存儲的電能從直流轉變成交流，帶動馬達運轉。隨著充電電池和馬達的進化，新一代逆變器的研發(fā)也在同步開展。

逆變器小型化和高性能化的關鍵，掌握在功率半導體的手中。在純電動汽車用途，新一代功率半導體碳化硅（SiC）公認將成為主流。按照羅姆的推測，驅動馬達的逆變器“將從2016～2017年開始配備”碳化硅。開發(fā)碳化硅的競爭對手也在為2010年代后期投入實用而相互較勁。

“有一種材料蘊含著超越碳化硅的潛力”——日本信息通信研究機構（NICT）的東脅正高（NICT未來ICT研究所綠色ICT器件尖端開發(fā)中心主任）的研究組把目光對準了氧化鎵（Ga2O3）。因為與碳化硅和氮化鎵（GaN）相比，氧化鎵能夠以低廉的成本，制造出耐壓高、損耗低的功率半導體。

氧化鎵有多種晶體結構，β型最為穩(wěn)定。β型氧化鎵的帶隙高達4.8～4.9eV。相當于硅的4倍以上，甚至比碳化硅的3.3eV、氮化鎵的3.4eV還要高（圖8）。而且，左右功率半導體性能的低損耗性的指標“Baliga優(yōu)值指數”約是碳化硅的10倍、氮化鎵的4倍。

圖8：利用氧化鎵試制MOSFET

信息通信研究機構等研究組正在開發(fā)使用β型氧化鎵的新一代功率半導體（a）。并對使用該材料的耗盡型MOSFET的工作情況進行了確認（b）。

東脅等人已經在2012年試制β型氧化鎵MESFET（metal semiconductorfield effect transistor），并對工作情況進行了確認。這次又使用該材料試制了耗盡型MOSFET。試制品的耐壓為370V，加載 4V的柵極電壓時，最大漏電流密度為39mA/mm。漏電流的開關比在100℃下為107左右，在250℃的高溫下也保持住了104左右的水平。漏電流開關比的實用水平為106～107上下。

NICT為了推動氧化鎵的開發(fā)，在2013年12月1日成立了“綠色ICT器件尖端開發(fā)中心”。擔任主任的東脅意氣風發(fā)地表示，“我們將從2020年開始供應氧化鎵功率半導體樣品，在2025年之前正式投入量產”。

無線供電：標準最快將于2014年內出臺，頻率花落85kHz

面向純電動汽車的無線供電朝著實用化前進了一大步。2013年11月，美國汽車工程師協會（SAE）宣布，純電動汽車無線供電將使用85kHz頻帶（81.38k～90.00kHz）（圖9）。

圖9：開始完善面向實用化的環(huán)境

在面向汽車的無線供電方面，使用85kHz頻帶的方案希望最大（a）。通過結合自動泊車，可以解決送受電線圈錯位的課題。照片是電裝的自動泊車演示（b）。（圖：（a）為《日經電子》根據早稻田大學的資料制作）

SAE預定在2014～2015年其間發(fā)布面向無線供電的標準“SAE J2954”。此次出臺的85kHz頻帶是日本和德國的汽車企業(yè)、美國高通公司等主張的頻帶。按照當前方針，SAEJ2954將綜合最大輸出功率為3.7千瓦（一般家庭）、7.7千瓦（公共）、22千瓦（快速充電）、200千瓦（大型車）的4種標準。

在實際使用時，“應該可以根據使用方式，選擇適合的輸出功率”（某無線供電業(yè)內人士）。如果是晚上在家中用8小時緩慢充電，只需選擇3.7千瓦即可。如果是外出時需要快速充電，則可以選擇支持22千瓦的無線供電系統。

為了應對這樣的動向，高通等公司已經面向多種輸出方式，準備了同類系統。

一直以來的技術課題——供電線圈與受電線圈錯位的問題可以通過結合自動泊車技術加以解決。改進供電和受電線圈的構造也是一種有效的辦法。名為螺線管的方形線圈在水平方向的錯位容許量大。目前，住友電氣工業(yè)和Technova等正在開發(fā)螺線管。

關于未來在行駛中實現無線供電的探討也在進行之中。韓國科學技術院（KAIST）正在開發(fā)的“OLEV”一馬當先。但行駛中供電的電力傳輸效率僅為65％左右。主要依靠的還是效率為80％的靜止無線供電。由此可見，在探討無線供電的時候，有必要考慮設置充電專用車道。