索尼新型鋰電池采用錫類負極材料使容量增加25％

索尼2011年7月宣布，將采用錫（Sn）類負極材料來提高鋰離子充電電池的容量。此次開發(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(nèi)開始供貨。

圖1：通過采用Sn負極使容量增加25％

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

其實，此次并不是索尼首次使負極采用Sn的鋰離子充電電池實現(xiàn)產(chǎn)品化。該公司已從2005年開始面向攝像機銷售直徑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。

實現(xiàn)Sn類材料的非晶化

要使18650尺寸電池單元實現(xiàn)3.5Ah的高容量，“只能改變負極材料”（索尼Energy Device LI第1事業(yè)部門商品設(shè)計1部統(tǒng)括部長井上弘）。索尼曾于1997年前后通過將負極材料由原來的低結(jié)晶性碳（硬碳）改為石墨提高了容量。

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

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。但充放電時負極的膨張和收縮會破壞晶體構(gòu)造，因此充放電周期壽命較短。此次索尼通過Sn類材料的非晶化解決了這一問題（圖2）。該公司通過在納米級別上使Sn、鈷（Co）及碳等多種元素實現(xiàn)非晶化，抑制了充放電時粒子的形狀變化，從而提高了電池單元的充放電周期壽命。

圖2：Sn類非晶材料Co-Sn超微粒子的構(gòu)造

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

高容量也可確保安全性

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

LiCoO2會在出現(xiàn)內(nèi)部短路等異常時溫度升高，這種情況下會產(chǎn)生氧，氧與有機電解液發(fā)生反應后可能會燃燒。因此，索尼在LiCoO2粒子表面“進行了0.1～1μm厚覆膜處理”（井上）。據(jù)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(nèi)部短路，在聚烯烴微多孔膜的兩面形成了數(shù)μm厚的金屬氧化物陶瓷層（圖3）。陶瓷層具備三維構(gòu)造，直徑不到1μm的金屬氧化物粒子與作為粘合劑的樹脂呈網(wǎng)眼狀連接在一起。發(fā)生異常時，柔軟性與粘合性較高的樹脂網(wǎng)可使絕緣物即金屬氧化物附著在異物周圍，從而限制電流通過。

圖3：通過三維構(gòu)造陶瓷層提高安全性

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

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