索尼新型鋰電池采用錫類(lèi)負極材料使容量增加25％

索尼2011年7月宣布，將采用錫（Sn）類(lèi)負極材料來(lái)提高鋰離子充電電池的容量。此次開(kāi)發(fā)的是“18650”尺寸（直徑18mm×高65mm）的電池單元，容量高達3.5Ah。與該公司2010年投產(chǎn)的2.8Ah原產(chǎn)品相比，容量大幅增加了25％（圖1）。體積能量密度為723Wh/L。重量為53.5g，重量能量密度為226Wh/kg。充電電壓為4.3V。預定2011年內開(kāi)始供貨。

圖1：通過(guò)采用Sn負極使容量增加25％

索尼開(kāi)發(fā)出了通過(guò)采用Sn類(lèi)負極材料使單元容量比原來(lái)提高25％的鋰離子充電電池“Nexelion”（a）。此前一直通過(guò)采用石墨負極材料來(lái)增加容量，但最近以來(lái)容量增加率放緩。Sn具有遠遠大于普通負極材料石墨的理論容量（b）。

其實(shí)，此次并不是索尼首次使負極采用Sn的鋰離子充電電池實(shí)現產(chǎn)品化。該公司已從2005年開(kāi)始面向攝像機銷(xiāo)售直徑14mm×高43mm的“14430”尺寸電池單元。此次將面向筆記本電腦量產(chǎn)比14430大一圈的18650尺寸產(chǎn)品。

實(shí)現Sn類(lèi)材料的非晶化

要使18650尺寸電池單元實(shí)現3.5Ah的高容量，“只能改變負極材料”（索尼Energy Device LI第1事業(yè)部門(mén)商品設計1部統括部長(cháng)井上弘）。索尼曾于1997年前后通過(guò)將負極材料由原來(lái)的低結晶性碳（硬碳）改為石墨提高了容量。

之后則主要通過(guò)改進(jìn)正極材料，將容量提高到了當初的約2.5倍，但最近以來(lái)的容量增加率卻在不斷降低。于是，索尼時(shí)隔約14年再次決定更改18650單元的負極材料，采用了Sn類(lèi)材料。

Sn和硅（Si）與目前的主流負極材料石墨相比，具有近10倍的理論容量。但充放電時(shí)負極的膨張和收縮會(huì )破壞晶體構造，因此充放電周期壽命較短。此次索尼通過(guò)Sn類(lèi)材料的非晶化解決了這一問(wèn)題（圖2）。該公司通過(guò)在納米級別上使Sn、鈷（Co）及碳等多種元素實(shí)現非晶化，抑制了充放電時(shí)粒子的形狀變化，從而提高了電池單元的充放電周期壽命。

圖2：Sn類(lèi)非晶材料Co-Sn超微粒子的構造

新型鋰離子充電電池的負極材料構造為碳相中分布著(zhù)由Co-Sn合金構成的超微粒子。Co與碳形成碳化物并結合在一起。

高容量也可確保安全性

此次開(kāi)發(fā)的鋰離子充電電池還改進(jìn)了正極與隔膜。將正極材料由可兼顧容量與安全性的三元類(lèi)（Li（Ni-Co-Mn）O2）材料改成了鈷酸鋰（LiCoO2）。LiCoO2的Co材料價(jià)格較高，而且熱穩定性處于劣勢，所以正極材料一直在向三元類(lèi)轉變，但索尼卻逆潮流而上，采用了容量更高的LiCoO2。

LiCoO2會(huì )在出現內部短路等異常時(shí)溫度升高，這種情況下會(huì )產(chǎn)生氧，氧與有機電解液發(fā)生反應后可能會(huì )燃燒。因此，索尼在LiCoO2粒子表面“進(jìn)行了0.1～1μm厚覆膜處理”（井上）。據該公司介紹，這種方法可降低氧與有機電解液的反應。

隔膜方面，為了防止發(fā)生內部短路，在聚烯烴微多孔膜的兩面形成了數μm厚的金屬氧化物陶瓷層（圖3）。陶瓷層具備三維構造，直徑不到1μm的金屬氧化物粒子與作為粘合劑的樹(shù)脂呈網(wǎng)眼狀連接在一起。發(fā)生異常時(shí)，柔軟性與粘合性較高的樹(shù)脂網(wǎng)可使絕緣物即金屬氧化物附著(zhù)在異物周?chē)?，從而限制電流通過(guò)。

圖3：通過(guò)三維構造陶瓷層提高安全性

隔膜的兩面均形成了三維構造陶瓷層。一旦有金屬異物混入導致隔膜受損，陶瓷層就會(huì )轉印至金屬異物表面，以防止大電流通過(guò)。

當然，新型單元也還存在課題。比如，反復充放電300次以后，容量會(huì )降至最初的約80％。反復充放電500次以后容量會(huì )降至約60％，只勉強達到了可供筆記本電腦使用的最低標準。今后要想擴大銷(xiāo)售，必須提高電池單元的充放電周期。