从新材料到空气电池,大型电池研究步入正轨(二):负极材料及隔膜

2011-01-10 18:23:06来源: 技术在线

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。

(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。

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。

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关键字:锂离子电池  空气电池  负极材料  隔膜

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0110/article_3056.html
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