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新型鐵基電極材料延長(cháng)鋰離子電池工作壽命

作者: 時(shí)間:2011-05-05 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

圖1:新型正極材料在透射式電子顯微鏡下的觀(guān)察圖像

  2011年4月26日,日本電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì )社宣布在LiFePO4(Lithium Iron Phosphate)材料基礎上開(kāi)發(fā)出新型正極復合材料,降低了材料的電阻,可延長(cháng)鋰離子充電電池的工作壽命。

  該材料乃是電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì )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(zhuān)注于鋰離子充電電池材料的研究與開(kāi)發(fā)。

  當前,較大比例的鋰離子充電電池都采用LiFePO4作為正極材料。該材料具有多方面的優(yōu)勢。首先是能量密度較高,理論比容量達到170毫安時(shí)/克,實(shí)際比容量也可達到140毫安時(shí)/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正極材料。第三是無(wú)記憶效應,避免像鎳電池一樣產(chǎn)生結晶。第四是充電速度較快。

  關(guān)于磷酸鐵鋰正極材料對電池壽命的影響則要一分為二來(lái)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(huì )影響壽命。

  按照電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì )社的觀(guān)點(diǎn),對于汽車(chē)應用而言,選用磷酸鐵鋰的電池,其充電-放電壽命循環(huán)總數仍可提高。若采用在磷酸鐵鋰基礎上開(kāi)發(fā)的新材料,則電池的充電-放電壽命循環(huán)總數可達到或超過(guò)采用其他非鐵基正極材料電池的水平。

  此次電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì )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(guò)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(guān)察圖像。點(diǎn)狀分布區域為磷酸鐵鋰;碳納米纖維分布于圖中線(xiàn)條之上。由于碳纖維彼此搭接(Lap Over),外觀(guān)上呈現集中趨勢。乙炔碳黑在圖上未顯示,原因是過(guò)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(kāi)發(fā),目前尚未公布。不過(guò)對比現有的鐵基正極材料,新材料在加工過(guò)程中無(wú)需進(jìn)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(shí)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(shí)可能因為性能衰變而降低容量30%之多。諸如車(chē)用電池等大型鋰離子充電電池最長(cháng)的充電-放電壽命循環(huán)總數當前大約在2000-3000之間。不過(guò)日本電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì )社認為新型正極材料的壽命甚至還超過(guò)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(gè)常見(jiàn)碳基材料負電極。

  當前,公司正著(zhù)手向汽車(chē)制造商、電子元件制造商和電力相關(guān)企業(yè)提供新型正極材料,從而對新材料的性能開(kāi)展評估。



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