リチウム電池と燃料電池のスパイラル進化と開発

過去20年間のリチウムと燃料電池の分野における欧州連合（EU）と米国エネルギー省（DOE）の基礎研究と産業政策の変化を注意深く分析すると、リチウムがはっきりとわかります。バッテリーと燃料電池は、実際には1つの「幸せな家族」です。実際、リチウム電池と燃料電池は、過去数十年の間実際には「冷たく」ありませんでしたが、注意の程度は異なります。それらはすべて浮き沈みであり、あなたが私たちの側に歌うと、化学電力産業はとてもスパイラルに発展しています。この記事では、リチウム電池と燃料電池の開発について概説します。議論しましょう：なぜ中国と日本は純粋な電気自動車を開発する際に異なる技術ルートを選択するのですか？それとも、純粋な電気自動車にはどのような電力システムが適していますか？

新エネルギー車は、近年中国で開発された新興産業です。 2009年1月、科学技術省、財務省、国家発展改革委員会、工業情報化部は共同で「1万の省エネおよび新エネルギー車のデモンストレーションおよびアプリケーションプロジェクト」を開始しました。新しいマークを付けるエネルギー自動車産業は公式に国家戦略に立ち上がった。

2012年、国務院は、省エネ車と新エネルギー車の定義を定め、実現の道筋と目的を定めた「省エネ・新エネルギー車産業開発計画（2012-2020）」を発表した。この計画は、中国での新エネルギー車の開発がリチウムイオン電池の純粋な電気自動車（LIB-EV）に焦点を当てることを明確にしています。

近年、リチウムイオン電池の純粋な電気自動車は、中国の新エネルギー車の主流ルートになっています。現在、中国の純粋な電気自動車は基本的に三元電力バッテリーを搭載した乗用車ですが、商用車は主にリン酸鉄リチウムパワーバッテリーの開発パターンを使用しています。

電気自動車の開発と工業化の世界的リーダーである日本は、電気自動車の技術ルートにおいて中国と矛盾しています。 2014年12月、世界最大の自動車会社であるトヨタは、世界初の大量生産型燃料電池電気自動車「みらい」を正式に発売しました。日本でのこの車の価格は723万6千円（38万3000人民元相当）でした。補助金の価格は275,000元です。これに伴い、ホンダは2015年下半期に新世代燃料電池車FCVクラリティも発売しました。実際、2014年5月には、通商産業省が「水素推進戦略推進戦略」を発表しました。水素燃料電池車の国内業界標準を確立した「燃料電池車」。その後、日本政府は「水力社会政策提言の実施」において、水素燃料電池車の具体的な目標と政策支援プログラムを提案した。さらに、日本の日産、現代、ゼネラルモーターズ（GM）、BMW、フォルクスワーゲン（VW）も、過去2年間に独自の燃料電池電気自動車の工業化計画を発表しました。 。

中国と日本（実際には韓国とヨーロッパの主流の自動車会社を含む）は、純粋な電気自動車の開発方向で異なる技術ルートを選択していることがわかります。 2つの分野（トヨタとホンダ）向けの燃料電池の大量生産のニュースは、国内の電気自動車業界で激しい議論を引き起こし、2つの視点を形成しました。

日本の自動車産業は、純粋な電気自動車で燃料電池のルートを取るのは間違っているという見方があります（ルートエラー理論）。例は、米国で現在人気のある国際的なテスラ電気自動車です。もう一つの見方は、日本の燃料電池車の開発は、その軍事産業サービスのためであり、中国の電気自動車の方向性を誤解させる（陰謀論）ということです。

これらの異なる視点は一時的に下げられます。トヨタとホンダの燃料電池車の小規模商業生産の現実に直面して、私たちが今真剣に検討する必要がある最初のことは、中国と日本が純粋な電気自動車を開発する際に異なる技術ルートを選択した理由です。それとも、純粋な電気自動車にはどのような電力システムが適していますか？

リチウムイオン電池（Li-ion電池、LIB）であれ、プロトン交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell、PEMFC）であれ、学際的な統合を伴う高度に専門化されたハイテク分野です。著者は、これら2つの化学電源システムをかなりよく理解しています。この論文では、著者は電気化学、固体化学、電気触媒作用の深遠な科学的原理を放棄し、巨視的な観点に立っています。化学電源システムを分析して比較し、読者が純粋な電気自動車の電源の問題についていくつかの異なる視点と角度を提供できることを期待しています。

2つの電力システムを比較する前に、まずLIBとPEMFCの最も重要な特性を理解して、これら2つの化学電源のそれぞれの適用可能な分野を理解する必要があります。

基本的に、二次電池は、可逆的な電気化学反応によって電気エネルギーを貯蔵および放出するエネルギー貯蔵装置です。二次電池が電気エネルギーを蓄える能力の基本的な尺度は、エネルギー密度（WH / KgまたはWH / L）です。燃料電池は、電気触媒反応により燃料中の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電気エネルギー生成装置です。燃料電池は「バッテリー」（中国語訳の理由）とも呼ばれますが、その基本的な動作モードは、従来の二次電池とは本質的に異なる内燃機関の動作モードと多少似ています。燃料電池の発電能力の基本的な尺度は、電力密度（W / KgまたはW / L）です。 2つの電気化学電源システムの動作の異なる性質により、アプリケーションレベルでの異なる位置が直接決定されます。これについては、後で詳しく説明します。

リチウムイオン電池と燃料電池の研究開発

純粋な電気自動車の分野におけるリチウムイオン電池（LIB）とプロトン交換膜燃料電池（PEMFC）のアプリケーションの見通しを比較および分析する前に、読者がより直感的に理解できるように、2つの開発を簡単に確認する必要があります。 。過去20年間のリチウムと燃料電池の分野における欧州連合（EU）と米国エネルギー省（DOE）の基礎研究と産業政策の変化を注意深く分析すると、リチウムがはっきりとわかります。バッテリーと燃料電池は、実際には1つの「幸せな家族」です。

実際、19世紀の終わりに、自動車は最初にバッテリー車から開発されました。鉛蓄電池車の生産は20世紀初頭にピークに達しました。しかし、1908年に生産ラインを革新的に使用してTカーを生産し（大幅にコストを削減）、1912年にガソリン車の電気点火装置を登場させた（より便利な使用）ことで、致命的な打撃を与えました。鉛蓄電池車。それ以来、電気自動車は歴史的な段階から引退しました。前世紀末まで、高エネルギー化学電源（二次電池や燃料電池）の技術進歩により、電気自動車が再び注目を集めてきました。燃料電池に関する国際的な最初の研究は1970年代に行われました。米国の宇宙産業の需要により、アルカリ燃料電池（AFC）の使用が促進されました。その後、GMは世界初のAFC燃料電池車も製造しました。 AFCは純酸素を使用する必要があり、空気を直接使用できないため、民間分野では使用できませんが、多くのAFC技術が後にPEMFCに移植されました。

1970年代、アラブ・イスラエル戦争によって引き起こされた2つの国際石油危機は、世界の政治経済構造に深刻な影響を与えただけでなく、西側諸国に新しいエネルギー源、ひいては新しい高エネルギーを見つけることの重要性を深く認識するよう促しました。エネルギー。化学力の研究は前例のない後押しを生み出しました。有機電解質、固体電極材料、プロトン交換膜、電極プロセスの動力学に関する基礎研究が人々によって大きく進歩したのはこの時期です。ナトリウム硫黄電池とリチウムイオン電池は、この時期に作られた基本原理です。 。

1980年代の遷移金属酸化物、黒鉛リチウムインターカレーション化合物、有機電解質の分野での研究の進歩のおかげで、日本のソニー株式会社は1991年に初めてリチウムイオン電池の商品化に成功しました。最初のリチウムイオン電池はエネルギー密度が低いです。熱分解されたポリアセタール硬質炭素アノード材料の使用による。 1994年に大阪市ガス会社がMCMBを工業化して以来、リチウムイオン電池の性能が大幅に向上し、携帯電話の電池をすぐに使用できるようになりました。市場は急速に発展し、前世紀の終わりに、リチウム電池の工業化の最初の波が世界規模で始まりました。これに対応して、1995年から2002年までの国際リチウム電池研究の最初のラウンドです。リチウムイオン電池の開発も今世紀の初めに現れ始めました（フランスのSAFTによって表されます）が、それは広く注目されませんでした世界中で。

1996年、米国のクリントン政権は、「水素経済」（水素エネルギーと燃料電池）の基礎研究と工業化への前奏曲を開き、EUがそれに続きました。ブッシュ大統領政権の8年間で、「水素経済」研究は西側の先進国、特に米国でピークに達しました。これは2002年から2007年までのリチウムイオン電池の基礎研究です。過去6年間でそれは谷に落ちました。もちろん、リチウム電池の工業化はまだ急速に進んでいます。

燃料電池の研究/工業化の波の第2ラウンドは、2007年以降徐々に冷え込んでいます。詳細については、後の章で詳しく説明します。オバマ大統領が2008年に米国大統領に選出されて以来、米国政府は水素電池と燃料電池からリチウムイオン電池に移行し、電気自動車の戦略的方向性を示しています。これは、世界で2回目のリチウム電池の研究と工業化です。この変更は、DOEの意欲ではありません。その背後にある主な理由は、水素の工業生産と貯蔵、および技術、コスト、寿命の観点からの燃料電池の技術的課題です。これらの問題は、燃料電池電気自動車の工業化を深刻に妨げてきました。

日本の新エネルギー研究・産業化政策は、主に新エネルギー・産業技術総合開発庁（NEDO）が策定しています。米国やヨーロッパのリチウムや燃料電池のジェットコースターとは異なり、日本は過去数十年にわたってその支援にそれほど遅れをとっていません。 2つのフィールド間のサポートに大きな違いはありません。これは主に、日本が両分野で世界の工業化をリードしており、欧米のリチウム電池産業が発展していないためです。

リチウム電池に関するDOEの年次報告書（BATTおよびABRプロジェクト）、EU ALISTOREプロジェクト、および日本のNEDOリチウム関連プロジェクトを注意深く調べると、実り多い第1回リチウム電池研究ブームと比較してそれを見ることができます。前世紀の終わり、この一連のリチウムベースの基礎研究は基本的に画期的な進歩を遂げていませんが、DOEの次の段階である明らかな学術的「発泡」特性（「ナノリチウム」およびリン酸鉄リチウムで表される）を持っています高エネルギー化学発電セクターの資金調達の方向性を変えるのは時間の問題です。実際、米国エネルギー省の技術ルートと開発目標は、科学技術省と工業情報化技術省が新エネルギー車の研究と工業化政策を策定するための基本的な基準でした。では、DOEの研究と新しい高エネルギー化学電源の工業化の次のラウンドは何ですか？待って見てみましょう。

実際、化学発電開発の歴史を理解している読者は、二次電池と燃料電池が過去数十年で実際に「冷たく」されていないことを理解する必要がありますが、注意の程度は異なります。彼らは浮き沈みを経験しました、そしてそれは化学力産業が始まった方法です。

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