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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

太阳系系主任

[交流] 【其他】从新材料到空气电池，大型电池研究步入正轨（一）：正极材料 已有47人参与

从新材料到空气电池，大型电池研究步入正轨（一）：正极材料

2011/01/06 00:00


　　汇聚2400余位电池业界人士参与的“第51届电池讨论会”已经闭幕。在本届讨论会上，有关锂离子充电电池大容量化关键的正极材料的发表件数大幅增加。另外作为后锂离子充电电池，全固体电池和锂空气电池的发表也有所增加。着眼于快速发展的大型电池市场，新一代电池的研究日趋活跃。

　　在面向电动汽车等电动车辆和固定蓄电系统的大型电池领域，全球的开发时机正日趋成熟。以性能超越现有锂离子充电电池的新一代锂离子充电电池材料为开端，为了孕育出具有新反应原理的革命性电池，相关研究开发正在全面展开。

　　以此为背景召开的“第51届电池讨论会”上，与锂离子充电电池的正极材料、全固体电池、锂空气电池相关的发表有所增加。因为现行材料开发的目标是在2015～2020年前后，使大型电池用锂离子充电电池的能量密度达到现有的约2倍，即200～300Wh/kg（图1）。

　　而且，为了在之后的2020～2030年前后投入使用，以实现全固体电池和锂空气电池等后锂离子充电电池为目标的基础研究也开始活跃起来。

　　正极材料发表件数之所以增加，是因为目前正极材料与负极材料相比，比容量*小，新材料开发成为了当务之急。负极材料中已经有了投入实用的锡和硅等比容量超过1000mAh/g、为现有2倍以上的候选，而正极材料目前还没有超过200mAh/g的材料投入实用。因此，正极材料的研究较为活跃。

*比容量=电极或活性材料单位重量的电流容量。

　　另一方面，后锂离子充电电池——全固体电池和锂空气电池相关发表件数的增加则是因为近年来，丰田汽车等企业积极进行发表，提升了人们对于该领域的关注，研究人员开始增加。

  
图1：为解决课题研发材料
为实现锂离子充电电池高性能化，正极、负极、电解质、隔膜等方面的新材料正在开发之中。
  
图2：探索高电压化与大容量化的正极材料
在本届电池讨论会上，除固溶体类材料和橄榄石类材料之外，有机化合物等新材料也陆续发表。


正极材料

期待固溶体和橄榄石类材料

　　现有锂离子充电电池的正极材料使用的是钴酸锂（LiCoO2）、三元类（LiNiMnCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）等。但这些正极材料的理论容量都在200mAh/g以下。因此必须寻找超过200mAh/g的新材料，或是使用能够将目前只有4V左右的对锂电位提高到5V左右的5V类正极材料，增加能量密度（图2）（注1）。

（注1）各电极的能量密度为比容量与电压之乘积

　　其中，能够实现超过250mAh/g的比容量，而且属于5V类正极材料的固溶体类（Li2MnO3-LiMO2）材料被寄予了厚望。在本届电池讨论会上，日产汽车、田中化学研究所、户田工业和三洋电机等企业就该材料进行了发表。

　　该材料虽然具有层状结构，但容量大于层状类材料的理论值。因此，探究大容量实现原理的行动日趋活跃。该材料最初是分为锂层与锰等过渡金属层的层状结构，但初期充电后，过渡金属会移动到锂层内，形成骨架结构。研究显示，大容量的实现除了锰等金属的氧化还原反应外，还归功于氧的电荷补偿作用。

　　但是，当把充电电压提高到容量超过理论值的4.8V左右后，重复充放电循环时容量下降程度会加大。估计是因为在氧的电荷补偿作用下，正极材料产生了结构变化。如果能够解明该现象，提高循环特性，很有希望为新一代正极材料打开道路。

改善LiMnPO4的特性

　　虽然比容量并不算大，但橄榄石类正极材料能够实现高电压化，而且在安全性和成本方面备受关注。该材料中磷（P）与氧结合牢固，即便在高温下也难以放出氧。因此不易引起热失控*，安全性较高。目前，LiFePO4已经得到了实用化，其存在的课题是对锂电压仅为3.4V左右。

*热失控=电池单元内因内部短路等原因产生异常发热，导致着火、冒烟、破裂。

　　对锂电位比LiFe-PO4高0.7V，达到4.1V的磷酸锰-锂（LiMn-PO4）的开发正在推进之中。在本届电池讨论会上，丰田汽车和住友大阪水泥就使用水热合成法*的LiMnPO4合成进行了发表。

*水热合成法=在高压水蒸气环境下合成化合物、培养晶体的方法。

  
图2：探索高电压化与大容量化的正极材料
图3：倍率性能优秀的Li3V2（PO4）3
GS汤浅开发出了使用Li3V2（PO4）3的锂离子充电电池（a）。与LiFePO4相比，其电压能够有所提高（b）。图片为本站根据GS汤浅的资料制作。


丰田汽车通过提高锂离子传导性和导电性，改善了输出特性公认低于LiFePO4的LiMnPO4的特性（注2）。方法是利用水热合成法进行制作，通过将一次粒子的粒径缩小至20nm提高锂离子传导性，通过使用球磨机*在粒子表面涂布碳层提高导电性。借助以上改进，不仅1C放电实现了150mAh/g左右的比容量，在5C这一高放电倍率下也得到了120mAh/g的比容量。

*球磨机=一种在加入材料后，能够在旋转的机身中，利用坚硬钢球向材料施加机械能的粉碎机。其作用是利用机械能促进化学反应，即实施机械化学处理。

（注2）以“通过控制粒子结构提高LiMnPO4的电化学特性”［演讲序号：2C24］为题进行了发表。

　　住友大阪水泥发表了增加导电性的方法，即将碳与碳化催化剂一同加热，使其复合化的催化剂法（注3）。使用碳与LiMnPO4单独混合加热的方法时，粒子表面的碳膜不均匀，而使用催化剂法能够在粒子表面形成2nm左右的均匀碳膜。在试用纽扣电池的0.1C的充放电试验中，得到的放电容量为140mAh/g。该公司表示，通过使用催化剂法，以较少的碳量也能够提高导电性。

（注3）以“利用水热合成法的高电压橄榄石正极材料的开发”［演讲序号：2C21］为题进行了发表。

磷酸钒亮相

　　另一方面，在橄榄石类材料中，GS汤浅建议使用磷酸钒锂（Li3V2（PO4）3）（图3）（注4）。该材料不仅在安全性方面有望与LiFePO4相当，理论容量也高达197mAh/g，比LiFePO4和LiMnPO4还高出25mAh/g以上。而且，对锂电位可以达到3.8V左右，比LiFePO4还高0.4V左右。

（注4）以“利用液相法的磷酸钒合成与电化学特性”［演讲序号：2A19］为题进行了发表。

　　GS汤浅在使用液相法合成材料后，在粒子表面覆盖了一层碳。结果，0.1C放电时的比容量为130mAh/g。放电特性方面，2C放电时可保证98％的容量维持率，适合混合动力车等高输出功率用途。

　　GS汤浅使用试制的5Ah级方型单元，试验了充电状态（SOC）为50％时的输出特性。使用Li3V2 （PO4）3的单元与使用LiFePO4的单元相比，无论放电时间长短都表现出了较高特性。放电后10秒的输出密度方面，使用Li3V2 （PO4）3的单元要高出25％。

以实现双电子反应为目标的有机化合物

　　在探讨各种正极材料的同时，本届电池讨论会上关于“有机充电电池”领域的发表也接连不断（图4）。该电池的正极材料使用有机化合物。反应机理与普通的锂离子充电电池相同。有机充电电池的特点是不仅理论容量最大可接近1000mAh/g，而且不使用重金属，重量较轻，资源限制也比较小。

　　不过，虽然单位重量的能量密度高，单位体积的能量密度却偏低。而且，对锂电位大多仅为2～3.5V。因此，实现与目前的锂离子充电电池相同的能量密度还需要找到具备400～600mAh/g比容量的有机化合物。

   
图4：能够提高正极材料比容量的有机化合物
鉴于与现有材料相比，有机化合物有望提高正极的比容量，很多候选材料都在研究之中。图片为本站根据村田制作所的资料制作。

有机充电电池的代表是NEC于2001年开发的有机自由基电池*。该电池氧化还原的反应速度快，能高速进行充放电。但该电池为单电子反应，难以增加容量，单位单元的能量密度为20～30Wh/kg左右。

*有机自由基电池=利用稳定自由基的氧化还原反应的充电电池。利用的是在电子轨道最外层拥有不成对电子，被称为“自由基”的物质的氧化还原反应。

　　为了解决这一课题，能够实现双电子以上反应的有机化合物正在开发之中。其间还发现了四电子参与反应的物质的存在，对大容量化的期待与日俱增。实际上，从专利申请情况可知，丰田汽车和松下等大企业都在参与研究。

　　村田制作所认为有机化合物是“有前途的领域”。该公司在上届电池讨论会上也发表了相关技术，此次则就4项研究情况进行了报告。比方说，作为与本田技术研究所等合作研究的成果，该公司展示了把红氨酸作为正极材料的结果（注5）。即使重复充放电20次，比容量仍维持在了在460mAh/g以上。

（注5）村田制作所与神户市立工业高等专门学校、稻畑FINE TECH、本田技术研究所的“红氨酸及红氨酸诱导体的电化学性质和使用这些物质的有机充电电池”［演讲序号：3G24］发表。

　　虽然目前还在材料探索阶段，但村田制作所意图“在2020年前后，面向汽车全面应用”。因此，该公司希望在2015年左右，面向消费产品提供此类产品。

夏普发表研究成果

　　在正极材料相关发表中受到关注的是夏普。该公司是十余年来首次在学会上就充电电池进行发表。该公司与京都大学的研究小组就大型电池的代表性正极材料——LiMn2O4的高温劣化的抑制方法进行了发表（注6）。

（注6）以“提高LiMn2O4类锂离子充电电池正极材料的循环特性”［演讲序号：1C19］为题进行了发表。

　　LiMn2O4的对锂电位高达4.0V，虽然材料价格低廉，但存在高温下容量劣化的课题。当重复充放电循环时，结构会趋于不稳，导致放电容量降低。该研究小组通过使LiMn2O4的晶相内部生成名为“纳米包裹体”的10×150nm左右微细晶相，遏制了锂脱离/插入LiMn2O4时产生的体积收缩/膨胀。

　　当一定量的纳米包裹体存在时，即使经过100次循环，放电容量亚也可维持在约98％。与之相比，当纳米包裹体不存在时只能维持约70％。（未完待续，记者：狩集 浩志，久米 秀尚）

   
图5：大容量化与寿命兼顾成为课题
负极材料虽然有能够实现大容量化的候选，但材料的膨胀/收缩较大，存在寿命问题。本届电池讨论会上有关于硅合金负极以及Si6H6、Li2Ti4O15和MoO2等材料的发表。




■日文原文：新材料から空気電池まで，大型電池の研究が本格化
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1楼 2011-01-06 09:27:23
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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

太阳系系主任

（二）：负极材料

负极材料

硅类新材料，热门的LTO

　　在负极材料领域，面向大型电池的研究开发方向分成了两个。一个是大容量化，一个是提高安全性和寿命。现在，主流材料石墨的比容量为370mAh/g左右，为了实现大容量化，对超过1000mAh/g的硅类材料的研究十分兴盛。

　　由于石墨的对锂电位仅为0.1V左右，锂在负极的析出会造成安全性问题，石墨界面上容易形成与电解液的化合物，给确保循环特性造成了困难。因此，对锂电位高达1.5V，安全性和循环特性优良的钛酸锂（Li4Ti5O12，LTO）受到了关注（图5）（注7）。

（注7）东芝已经开始销售使用LTO的锂离子充电电池，商品名为“SCiB”。

　　在本届电池讨论会上，日产汽车、NEC、道康宁、丰田中央研究所等相继就硅类材料进行了发表。硅类材料以SiO等氧化物类为首，与碳复合化的复合电极体的研究十分活跃，丰田中央研究所就新硅类材料——层状聚硅烷（S6H6）进行了发表（注8）。

（注8）以“层状聚硅烷（Si6H6）作为锂充电电池负极的特性”［演讲序号：1D04］为题进行了发表。

　　丰田中央研究所表示，层状聚硅烷的厚度为nm等级，与面内尺寸为μm等级且各向异性较强的片状（Si6H62）n层叠形成的石墨具有相同的结构。

　　使用该材料测试电极的结果显示，第一次的充电容量为1170mAh/g，容量高达硅粒子试制品的近2倍。重复10次充放电后的体积膨胀率为150％，小于硅粒子的156％。丰田中央研究所认为维持层状结构有助于减轻膨胀，表示该材料会成为硅类材料的热门候选之一。

　　围绕能够提高安全性和寿命的LTO，村田制作所和丰田汽车等陆续进行了发表。因为LTO的比容量仅为175mAh/g，所以在未来，通过与硅类材料等混合，有望实现容量与安全性的兼顾。

　　LTO单独使用虽然没有问题，但与含乙炔黑等助导电剂的材料形成复合电极后，会出现充电时倍率性能下降的课题。作为解决此类课题的方法，村田制作所介绍了向LTO添加其他元素改善特性的方法（注9）。

（注9）以“通过添加其他元素改善钛酸锂的充放电倍率性能”［演讲序号：2D16］为题进行了发表。

　　村田制作所发现，在合成LTO时添加锆（Zr）和锶（Sr）能够改善充电时的倍率性能。Zr和Sr提高充电特性的原理各不相同，Zr是通过缩小LTO粒径，加大反应面积。锶则是通过生成锂能够脱离和插入的Li2SrTi6O14提高特性。

　　另一方面，丰田汽车报告称，把LTO晶体结构中的氧置换成氮能够提高导电性（注10）。具体方式是在N2/NH3环境下同时导入氧缺陷并进行氮置换，电导率从不足10-7S/cm增加了5个数量级，为2×10-2S/cm。（未完待续，记者：狩集 浩志，久米 秀尚）

（注10）以“探讨通过导入缺陷及杂质提高Li4Ti5O12的电子传导性”［演讲序号：2D11］为题进行了发表。
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6楼2011-01-07 14:38:57
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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

太阳系系主任

隔膜

隔膜

利用高耐热性无纺布

　　隔膜方面，为了应用于大型电池，安全性研究正在开展之中。旧有隔膜的基材使用的是聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）等微多孔性膜，这些材料的耐热性差。因此在最近，在旧有隔膜表面设置陶瓷层，提高耐热性的措施占据了主流。

  

图6：耐热性与倍率性能优良的无纺布隔膜
在180℃的保持试验中，无纺布隔膜没有大的变化（a）。使用层叠型单元的试验结果显示，无纺布隔膜在倍率性能和循环特性方面都更为优异（b，c）。图片由本站根据三菱制纸的资料制作。


　　在本届电池讨论会上，三菱制纸和东京理科大学对不使用低耐热性基材，直接使用高耐热性纤维素和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的无纺布隔膜进行了发表（图6）（注11）。

（注11）以“ 使用非织布隔膜的锂离子电池特性”［演讲序号：1B25］为题进行了发表。

　　通过在180℃下放置3小时的试验，比较了无纺布隔膜和具备氧化铝（Al2O3）耐热陶瓷层的PP制隔膜。其结果显示，无纺布隔膜在3小时后仍未出现收缩，而具备耐热陶瓷层的PP制隔膜5分钟即发生了收缩。

意欲应用于层叠型单元


比，放电倍率越高，无纺布隔膜的容量维持率越高。

　　在充放电循环特性方面，从循环100次之后的容量维持率来看，无纺布隔膜在25℃下高达85％以上，在50℃下高达70％左右。与之相对，PP制隔膜在25℃下为77％，在50℃下仅为66.5％。

　　除此之外，把重复进行充放电的单元进行拆解观察隔膜的结果显示，无纺布隔膜基本未出现变化，而PP制隔膜的表面发生变色，因氧化发生了劣化（注12）。

（注12）以0.2/0.5/1/3/5/10/20C的倍率分别进行了5个循环的充放电试验。


图7：通过覆盖固体电解质提高全固体电池的性能
大阪府立大学就正极活性材料上覆盖固体电解质的全固体电池的单元特性进行了发表（a）。经截面观察确认，正极材料的活性材料表面覆盖有高密度的固体电解质（b）。试制单元表现出了良好的充放电循环特性（c）。图片由本站根据大阪府立大学辰巳砂研究室的资料制作。


　　无纺布隔膜没有在达到某一温度后停止传导锂离子的关断功能*，延展性等机械特性也与旧有隔膜大不相同。因此，三菱制纸希望面向制造方法不同于以往的大型层叠型单元，扩大无纺布隔膜的销售。 （未完待续，记者：狩集 浩志，久米 秀尚）

*关断功能=在内部短路时，作为微多孔性膜的隔膜溶解，堵塞短路部分的孔洞，阻止离子传导的功能。

■日文原文：新材料から空気電池まで，大型電池の研究が本格化
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14楼2011-01-10 09:12:34
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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

太阳系系主任
（四）：全固体电池与锂空气电池

全固体电池

性能提升显著的硫化物类

　　作为超越锂离子充电电池的后锂离子充电电池，全固体电池的研究正日趋活跃。在该电池领域，离子传导率极高，与旧有电解液同为0-3S/cm的硫化物类固体电解质备受关注。

　　使用有机电解液的旧有锂离子充电电池在遇到过充电和内部短路等异常时，电解液会升温并挥发，存在着火或爆炸的危险。如果能够把有机电解液改换为固体电解质，就可以大幅提高安全性。

　　在本届电池讨论会上，大阪府立大学、丰田汽车、三星横浜研究所等发布了对使用固体电解质的全固体电池的研究成果。对于全固体电池，由于电极活性材料与固体电解质的界面电阻较大，因此在电极材料与固体电解质之间形成良好的界面非常重要。

　　为此，大阪府立大学的辰巳砂研究室与丰田汽车制作了在正极活性材料表面覆盖固体电解质作为正极层的全固体电池单元（图7）（注13）。据介绍，这种单元能够减少正极层中固体电解质的混合量，提高单元的能量密度。而在过去，正极活性材料与固体电解质混合的正极层是主流。

（注13）以“使用Li[sub]2[/sub]S-P[sub]2[/sub]S[sub]5[/sub]类固体电解质薄膜的堆积型全固体电池的电极/电解质界面的形成”［演讲序号：1G09］为题进行了发表。

　　正极材料方面，为了优化与固体电解质的接触界面，事先在LiCoO[sub]2[/sub]粒子表面包裹LiNbCo[sub]3[/sub]，然后使用PLD（pulsed laser deposition）法形成了Li[sub]2[/sub]S-P[sub]2[/sub]S[sub]5[/sub]类固体电解质。通过延长成膜时间，可以增加固体电解质的被覆量。

　　使用负极为铟（In）的试制单元进行试验时，成膜时间为120分钟的单元放电容量为65mAh/g，而240分钟的单元为80mAh/g，循环特性也十分良好。而且，在200℃下对成膜后的LiCoO2粒子进行1小时热处理后，导电性升高，放电容量也有所增加。

循环500次后容量维持80％

　　另一方面，关于使用Li[sub]2[/sub]S-P[sub]2[/sub]S[sub]5[/sub]类固体电解质的全固体电池，三星横浜研究所和韩国三星尖端技术研究所（Samsung Advanced Institute of Technology）宣布已经实现了接近实用水平的输出特性和相当于现有锂离子充电电池的充放电循环寿命特性。二者曾经在2010年3月召开的“电化学会”上，就正极材料使用NCA类材料，负极材料使用石墨，固体电解质使用10－4S/cm左右Li2S-P2S5的全固体电池的特性进行过发表（注14）。

（注14）在“电化学会第77次大会”上以“全固体锂充电电池的实用化研究（Ⅰ）”［演讲序号：3B23］为题进行了发表。

　　在此次发表中，二者宣布，通过对正极材料粒子表面实施铝处理，可以防止Ni和Co从正极材料向固体电解质转移（注15）。借助这一改进，试制的全固体电池在循环充放电500次依然维持了80％的容量。而且，试制电池在-20℃下的容量约为60mAh/g，维持了25℃时50％的水平，低温特性也十分优良。

（注15）以“探讨全固体锂充电电池实用化（Ⅱ）”［演讲序号：1G11］为题进行了发表。

锂空气电池

充放电反应愈发符合理论

　　锂空气电池因其正极利用的是大气中的氧，能量密度在理论上可以提高至现有锂离子充电电池15倍以上，成为了备受关注的终极电池。但该电池正极的结构与燃料电池相同，需要使用催化剂促使氧进行反应。而且，作为充电电池使用时，还需要还原在空气极发生反应的Li2O2等物质。

　　在2009年的电池讨论会上，丰田汽车曾经表示，对于电解液溶剂使用聚碳酸酯（PC）的锂空气电池，在正极侧析出的是来源于电解液的碳酸盐类化合物，而非Li[sub]2[/sub]O[sub]2[/sub]，并未发生与理论相符的充放电反应（注16）。

（注16）在“第50届电池讨论会”上以“锂空气充电电池的反应分析”（演讲序号：1D18）为题进行了发表。

[table=430][tr][td][/td][/tr][tr][td]图8：离子液体使优良充放电反应成为可能
丰田汽车报告称，在使用离子液体PP13TFSA作为锂空气电池电解液的溶剂后，电解液不分解，得到了正常的充放电反应（a）。经确认，在放电时，正极存在被视为Li2O2的析出物（b）。图片由本站根据丰田汽车的资料制作。[/td][/tr][tr][td][/td][/tr][tr][td]图9：粗大析出物导致库仑效率下降
丰田汽车查明，当锂空气电池的放电深度达到10％以上时，库仑效率将会下降（a）。经确认，从放电初期开始正极即有粗大析出物产生，充电后析出物不分解（b）。图片由本站根据丰田汽车的资料制作。[/td][/tr][/table]

　　在本届电池讨论会上，丰田汽车报告称，当使用离子液体N-甲基-N-丙基哌啶双三氟甲烷磺酰亚胺（PP13TFSA）作为电解液的溶剂时，产生了与理论相符的充放电反应，在正极侧确认到了被视为Li[sub]2[/sub]O[sub]2[/sub]的析出物（图8）（注17）。

（注17）以“锂空气充电电池的反应控制”［演讲序号：3B06］为题进行了发表。

　　在试验中，该公司制作了正极由科琴导电碳黑、电解二氧化锰和氟树脂粉末（PTFE）构成，负极为锂金属的锂空气电池。初次充放电的电压差方面，PC较大，为1.2V，PP13TFSA的电压差缩小到了0.75V。PP13TFSA因为粘度高，所以使用该材料的试验是在60℃下进行的。初次放电后扩大观察正极部分时，除确认到了被视为Li2O2的50～100nm左右的析出物之外，在充电时仅检测到了氧气，由此可以推测，该电池产生了与理论相符的充放电反应。

从放电初期开始便产生粗大析出物

　　丰田汽车还就锂空气电池放电深度（DOD）差异对放电析出物形态的影响进行了报告（图9）（注18）。当放电深度为20％时，库仑效率从初期状态开始下降。该公司认为其原因是从放电初期开始便产生了μm等级的粗大析出物，充电也无法令粗大析出物分解。

（注18）以“对锂空气充电电池正极放电生成物的观察”［演讲序号：3B08］为题进行了发表。

　　具体试验方式是准备多个放电深度为10～100％不等的单元，观察其正极，然后对各单元进行充电，再次观察其正极。经确认，放电时在正极表面均匀产生的nm等级析出物会在充电时分解，而放电时产生的粗大析出物在充电后未分解。由此可知，在今后，通过抑制放电时粗大析出物的生成，锂空气电池的性能有望得到提升。（记者：狩集 浩志，久米 秀尚）

■日文原文：新材料から空気電池まで，大型電池の研究が本格化
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