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        日本開發出復合材料可延長鋰電池的工作壽命


        發布時間:2011-05-06 18:56:41  來源:鉅大電子鋰電事業部 點擊次數:

                2011年4月26日,日本電氣化學工業株式會社宣布在磷酸鐵鋰LiFePO4(Lithium Iron Phosphate)材料基礎上開發出新型正極復合材料,降低了磷酸鐵鋰材料的電阻,可延長鋰離子充電電池的工作壽命。

          該材料乃是電氣化學工業株式會社和位于日本三重縣津市(Tsu City, Mie Prefecture)的SEI集團的合作成果,后者專注于鋰離子充電電池材料的研究與開發。

          當前,較大比例的鋰離子充電電池都采用磷酸鐵鋰LiFePO4作為正極材料。該材料具有多方面的優勢。首先是能量密度較高,理論比容量達到170毫安時/克,實際比容量也可達到140毫安時/克(0.2C,25°C條件下)以上。其次是安全性,磷酸鐵鋰不含對人體有害的重金屬元素,是目前安全性最高的鋰離子電池正極材料。第三是無記憶效應,避免像鎳電池一樣產生結晶。第四是充電速度較快。

          關于磷酸鐵鋰正極材料對電池壽命的影響則要一分為二來看待。該材料具有較高的晶格穩定性,晶格很少受到鋰離子的嵌入和脫出的影響,可逆性良好,在100%DOD條件下,可以充放電2000次以上;但磷酸鐵鋰電極材料的電子離子傳導率相對較低,在電流強度較大的充電-放電操作下依然會影響壽命。

          按照電氣化學工業株式會社的觀點,對于汽車應用而言,選用磷酸鐵鋰電極材料的電池,其充電-放電壽命循環總數仍可提高。若采用在磷酸鐵鋰基礎上開發的新材料,則電池的充電-放電壽命循環總數可達到或超過采用其他非鐵基正極材料電池的水平。

          此次電氣化學工業株式會社為磷酸鐵鋰添加乙炔碳黑(Acetylene Black)和碳納米纖維(Carbon Nanofiber)作為導電改性成分。乙炔碳黑主要由乙炔電石(Acetylene)通過熱分解(Pyrolytically Decomposing)方式制成。三種材料混合后固化,因此導電路徑可以根據既定目標設置安排,從而降低了電阻特性。和現有的鐵基正極材料相比,新材料的電阻率下降約30%。

          圖1為新型正極材料在透射式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope)下的觀察圖像。點狀分布區域為磷酸鐵鋰;碳納米纖維分布于圖中線條之上。由于碳纖維彼此搭接(Lap Over),外觀上呈現集中趨勢。乙炔碳黑在圖上未顯示,原因是過于細小,依附于碳納米纖維之上。

          制造工藝的處理細節由公司獨家開發,目前尚未公布。不過對比現有的鐵基正極材料,新材料在加工過程中無需進行粉碎處理。此外,處理工序也并未要求增添特殊設備,故此成本漲幅并不明顯。

          電阻率下降之后,廢熱等影響電池工作壽命的因素得到了一定的抑制,從而可以實現鐵基正極材料的工作壽命與其他正極材料相當甚至超越,例如錳基(Manganese-based)材料、三元復合材料(例如銅-錫-銻,Cu-Sn-Sb)等正極材料。

          電池到工作壽命結束時可能因為性能衰變而降低容量30%之多。諸如車用電池等大型鋰離子充電電池最長的充電-放電壽命循環總數當前大約在2000-3000之間。不過日本電氣化學工業株式會社認為新型正極材料的壽命甚至還超過了上面的數據。在評估階段,與新材料電極搭配使用的是一個常見碳基材料負電極。

          當前,公司正著手向汽車制造商、電子元件制造商和電力相關企業提供新型正極材料,從而對新材料的性能開展評估。

         
         
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