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liucheng200883

至尊木虫 (著名写手)

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[交流] （系列八）电池开发新动向--高容量、高安全性（知己知彼，掌握动态，决胜千里）已有38人参与

电池开发新动向--高容量、高安全性

多元化的性能需求　　
为了满足快速扩大的市场需求，充电电池的研发日益活跃。此前作为市场主流的便携终端用充电电池，以旨在实现高容量化的研发为主。手机及笔记本电脑等要求电池具备的最重要性能是，充电一次可使用很长时间。此前，人们一直认为寿命达到“2年左右即可”，宁可牺牲寿命也要优先实现高容量化。
　　但电动汽车及定置用途要求电池具备的性能更加多样( 图1 ) 。比如，电动汽车有混合动力车( H E V ) 、插电式混合动力车(PHEV)及纯电动车(EV)等多种车型。各种车型要求电池具备的性能也不同。
　　具体而言，HEV在加减速时需要大电力交换，因此高输出功率的电池较为理想。而EV与便携终端一样，要求充电一次可行驶很长的距离，因此必须实现高容量化。对电池容量的要求为HEVPHEV>EV。不过，电动汽车与便携终端相比，要求电池具有更长的寿命及更高的安全性。
　　定置用途也一样。以夜间储存电力供白天使用的电网电力高峰期转换(Peak Shift)用途为代表，大楼蓄电系统及家用蓄电系统要求电池具备非常大的容量。而用来抑制安装量不断增加的大规模光伏发电及风力发电的输出功率变化时，则必须使用对输出功率变化具有较高耐性的高功率电池。而且，定置用途与电动汽车用途相比，不仅要求电池寿命更长，而且用于大楼蓄电系统及家用蓄电系统时，必须具备发生火灾时不会燃烧的高安全性。
　　高容量化　　
各领域将如何瞄准2 0 2 0年推进电池开发呢？在便携终端领域，估计今后的开发主流仍以实现高容量化为目标(图2)。尽管目前的便携终端用充电电池也有镍氢充电电池及镍镉(Ni-Cd)充电电池等，但传统手机、智能手机、笔记本电脑及平板终端已开始采用锂离子充电电池。
　　目前，锂离子充电电池单位体积的能量密度已达到600Wh/L左右，在市面上的充电电池中能量密度最高。
　　但负极材料采用石墨的现行锂离子充电电池的能量密度正在接近极限。今后将通过混合使用硅(Si)及锡(Sn)等合金类负极材料，来提高能量密度，目标是到2020年使能量密度达到800～1000Wh/L左右。
　　便携终端用电池方面，虽然高容量化仍是今后的开发主流，但部分企业已开始转向其他开发方向，比如将原来长达1～2小时的充电时间缩短至10分钟左右，在不增加容量的情况下提高易用性。
　　以NTT DoCoMo为例，该公司在CEATEC JAPAN 2011上公开了可在10分钟内快速充电的移动电源试制品。可利用外出前或在餐厅吃饭时等较短的时间，为移动电源快速充电，然后再利用移动电源为智能手机充电。
　　如果能够结合使用N T TDoCoMo已开始销售的无线供电系统，构建可随时随地快速充电的基础设施，便有望在不增加充电电池容量的情况下提高便携终端的易用性。
　　高安全性　　
随着电池用途的不断扩大，电池的开发重心呈现出了高容量、高安全性及长寿命等多样化趋势。即便如此，在市场快速扩大的电动汽车用途与定置用途方面，今后开发的大前提仍是安全性高和长寿命。
　　在这种形势下，从事定置用锂离子充电电池业务的ELIIYPower宣布，2011年8月其大型锂离子充电电池全球首次获得了国际第三方机构TUV Rheinland日本实施的安全标准认证“TV-S Mark”(图3)。
　　达到了振动测试、贯通测试、冲击测试、冷热冲击测试、短路测试、过放电测试、落下测试、浸水测试、破坏测试、异常加热测试及过充电测试等11个项目的测试及工厂监查的要求，并获得了认证。
　　2010年12月，ELIIYPower通过在μm级别上对正极和负极进行微细构造控制，优化与电解液等的组合方式，使单元的能量密度比其原产品提高了约10％。而且，将使用温度范围扩大到了－20～60℃，尤其提高了高温下的循环特性以及低温下的充电性能。
　　据ELIIYPower介绍，尽管以前就对这种电池单元实施过钝钉穿剌、压碎、过充电及过放电测试等，并证明不会冒烟、起火及破裂，但考虑到今后要向家庭等普及这种电池，便取得了第三方机构的认证。
　　受东日本大地震后日本各地电力短缺的影响，住宅企业等开始考虑采用家用蓄电系统。但目前的现状是，很多住宅企业都很担心锂离子充电电池的安全性，希望电池厂商能够大幅提高电池单元的安全性。
　　实际生活中也曾发生过让这种担忧加剧的事故。2011年9月下旬，此前作为大型蓄电池不断获得应用的硫化钠(NaS)电池发生了火灾事故。
　　作为销售商的日本碍子(NGK)决定停止供货，并于2011年10月28日宣布停产NAS电池。
　兼具高容量高安全　
为了在提高安全性的同时实现高容量化，利用固体电解质而非目前主流的电解液的研发活动日益活跃。这种电池称为全固体电池。
　　全固体电池方面，人们发现了离子导电度与传统电解液同等的物质。
　　这就是硫化物类固体电解质之一——Li10GeP2S12。表示锂扩散速度的离子导电度可在室温(27℃)下达到1.2×10－2S/cm，这是一个极高的数值。
　　开发出这种电解质的是，东京工业大学、丰田与高能源加速器研究机构组成的研发小组。主导研发的东京工业大学研究生院综合理工学研究系物质电子化学专业教授菅野了次自信地表示，“打破了此前固体电解质无法实现的、在室温下达到10－2S/cm的极限”。
　　丰田已试制出了采用这种固体电解质的电池单元(图4)。解决了此前全固体电池存在的大电流放电问题。测试结果显示，可实现50C的高倍率放电。
　　测试时，采用了由碳材料混合而成的电池单元，正极使用钴酸锂( L i C o O 2) ，负极使用钛酸锂(Li4Ti5O12)。正极材料LiCoO2在包覆可降低界面电阻的铌酸锂(LiNbO3)之后，与固体电解质混合在一起。
　　这种电池存在的课题是，除固体电解质外，还存在较大的电阻因素，这会对高倍率特性带来巨大影响。
　　丰田今后打算从被覆在正极材料的LiNbO3、负极电阻以及正极或负极电子通路等的影响中找出问题的原因所在。
　　如果能够解决此类问题，估计就能利用固体电解质，使安全性更高、容量更大的锂电池实用化。

本文来自：http://www.gg-lb.com/asdisp2-65b095fb-7737-.html

图1

图2

图3

图4

[ 来自科研家族锂电池世界 ]

[ Last edited by liucheng200883 on 2012-8-7 at 17:01 ]

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