鋰離子電池的新正極材料，能量密度有望達6倍

　　純電動(dòng)汽車(chē)(EV)向鋰離子電池(LIB)提出了提高能量密度的要求。有可能將鋰離子電池的質(zhì)量能量密度提高到“LEAF”(聆風(fēng))等現有EV用LIB的6倍以上的新型候補正極材料已經(jīng)問(wèn)世，那就是日本東京電機大學(xué)工學(xué)系環(huán)境化學(xué)科副教授藪內直明領(lǐng)導的研發(fā)小組成功合成的摻錳鈮酸鋰(Li1.3 Mn0.4 Nb0.3O2)(圖)。

　　圖：日本東京電機大學(xué)成功合成的新正極材料

　　左圖為合成的摻錳鈮酸鋰，其結構如右圖，是巖鹽型(NaCl型)結構氧化物。

　　從化學(xué)式也可以看出，摻錳鈮酸鋰是將鈮酸鋰(Li1.5Nb0.5O2)的部分鈮(Nb)和鋰(Li)置換成錳(Mn)而實(shí)現的材料。跟一般用作LIB正極材料的鈷酸鋰、錳酸鋰及三元材料等一樣，屬于巖鹽型(NaCl型)結構(面立方晶格)。但摻錳鈮酸鋰與這些材料的不同之處是，其鋰(Li)原子的排列不成層狀。是在NaCl的氯原子位置插入氧原子、在鈉原子位置隨機插入過(guò)渡金屬錳原子、或過(guò)渡金屬鈮原子、或鋰原子的結構。

　　其實(shí)，具有這種結構的氧化物本來(lái)是無(wú)法可逆地去掉鋰原子的。但是，美國馬薩諸塞工科大學(xué)近年的研究發(fā)現，如果提高鋰相對于過(guò)渡金屬的組成比，就能解決這個(gè)問(wèn)題。此次，藪內等人成功合成的摻錳鈮酸鋰中，過(guò)渡金屬(Mn和Nb)與鋰的組成比為0.7:1.3。通過(guò)將鋰的比例提高到如此之高，就可以插入或去掉鋰。

　　這樣一來(lái)，在同樣1摩爾的氧化物中，新材料含有比普通層狀巖鹽型正極材料更多的鋰，并且晶體結構中有三維骨架。因此，即使插入或去掉大量的鋰，結構也難以崩潰。據藪內介紹，“初次充電，可去掉大約9成的鋰。并且，其中8成可通過(guò)放電可逆性恢復”。

　　新材料的平均電壓在鋰金屬基準下為3V以上。負極采用鋰金屬、電解質(zhì)的鋰鹽采用六氟化磷酸鋰、電解質(zhì)的溶劑采用碳酸二乙酯和碳酸二甲酯時(shí)，在電流密度為10mA/g的條件下的質(zhì)量能量密度高達950Wh/kg。這是質(zhì)量能量密度為100～150Wh/kg的現行EV用LIB的6倍以上。循環(huán)特性方面，目前只實(shí)施了充放電20次的測試，但“在電壓范圍為1.5～4.2V、電流密度為25mA/g的條件下，容量基本沒(méi)有劣化”(藪內)。因此，成本“可以比鈷酸鋰低”。

　　該技術(shù)的實(shí)用化目標時(shí)間是5年后。最初瞄準的應用是便攜式電子產(chǎn)品。今后還將研究熱穩定性，并提高作為電池材料的完成度。面向實(shí)用化確立量產(chǎn)技術(shù)也將是一大課題。