消除鋰離子電池火災隱患：將不可燃性熔融鹽作為電

現(xiàn)在，高輸出功率高能源密度充電電池的代表性產品當屬鋰（Li）離子電池。從手機等小型電子設備到混合動力車（HEV）和電動汽車（EV）等大型產品，鋰離子電池獲得了廣泛采用。不僅如此，鋰離子電池還用于儲存從太陽能發(fā)電和風力發(fā)電等自然能源轉換而來的電力，以及用作辦公樓和工廠等的備用電源。

不過，鋰離子電池由于使用了可燃性電解液，因此存在著因高溫而熱失控的危險。從資源角度來看，鋰的分布南美、中國和澳大利亞等國家和地區(qū)較多，因此無法消除對穩(wěn)定采購的擔憂。

將不可燃性熔融鹽作為電解液

我們要制作出高溫也不用擔心引起熱失控，可穩(wěn)定確保資源供應，而且能源密度高的充電電池……。住友電氣工業(yè)和京都大學能源科學研究科教授c原理加等人的研發(fā)小組為這一目標正在開發(fā)的，就是熔融鹽電解液電池這種新型電池（圖1）。

圖1：住友電氣工業(yè)與京都大學c原等人共同試制的熔融鹽電解液電池的電池組電池容量為每節(jié)9kWh。將其層疊4節(jié)形成36kWh的電池組。

這是一種以鈉（Na）離子（Na＋）在正極和負極間移動而充放電的充電電池，電解液采用雙(氟磺酰)亞胺鈉（NaFSA）和雙(氟磺酰)亞胺鉀（KFSA）這兩種不可燃性熔融鹽。據(jù)介紹，即使由于地震和事故等沖擊致使從外部混入空氣也不會起火，不會因充電過度和電池溫度升高而導致熱失控。

電解液以外的構成部材方面，負極活性物質采用鈉錫（Na-Sn）合金，正極活性物質采用亞鉻酸鈉（NaCrO2），夾在兩種活性物質之間的隔膜（事先含浸了前面提到的熔融鹽）采用玻璃纖維，集電體采用鋁箔（圖2）＊1。這些部材均為不可燃材料，而且“由資源豐富的原料制成”（住友電工營業(yè)策劃部新業(yè)務開發(fā)室主任田邊敬一朗）。作為重要材料的Na大量存在于海水中，資源豐富。

圖2：新型電池的單元構造

電解液采用不可燃性的熔融鹽等，因全部是由不可燃性材料構成，因此無需擔心起火或引起熱失控。據(jù)稱，全部采用資源豐富的原料。Na-Sn合金為鈉錫合金，NaCrO2是亞鉻酸鈉。

1：Na-Sn合金不同于金屬Na，即使在大氣中接觸到水也可保持穩(wěn)定，在安全上沒有問題。NaCrO2中鉻以三價的形式存在，即使充放電也不會形成六價。

通過混合熔融鹽來降低工作溫度

住友電工和京都大學的研發(fā)小組之所以關注Na，不僅僅是因為其儲量豐富。還因為基于Na離子傳導的電池單體的能源密度高。

但這里存在一個問題。雖然像硫化鈉（NaS）電池那樣利用Na離子傳導的電池此前也有過，但工作溫度低于100℃就無法使用了。例如，NaS電池的工作溫度設定為300～350℃。工作溫度較高，則要達到該溫度就需要大量的能源，而且防止燒燙傷等安全方面的全方位管理也不可缺少。反過來說就是，沒有專業(yè)管理人員在場，NaS電池就難以使用。

該研發(fā)小組已經試制出了新型電池，但是需要可使Na離子在低溫下傳導的鹽。因此該研發(fā)小組開發(fā)出了前面提到的熔融鹽。這些熔融鹽的融點為57℃，如果只是放電的話，則Na離子會在57℃以上的溫度下傳導，如果包括充電在內，則Na離子可在80℃以上的溫度下傳導。

據(jù)住友電工電子材料研究所金屬無機材料技術研究部電氣化學小組組長稻澤信二介紹，關鍵是形成NaFSA和KFSA的混合物。實際上，在各自單獨使用時NaFSA和KFSA的融點分別高達106℃和96℃。將兩者混合后則融點會下降（圖3）。稻澤信二介紹說，“Na離子和K離子的大小不同。將離子半徑大不相同的物質混合后，可以收到降低融點的效果”。通過融點降低，Na離子還可在低于通常的溫度下傳導。

圖3：新開發(fā)的熔融鹽

通過混合雙（氟磺酰）亞胺鈉（NaFSA）和雙（氟磺酰）亞胺鉀（KFSA）兩種不可燃性鹽，實現(xiàn)了融點降低。

有助于減小電池組尺寸

試制的新型電池的工作溫度范圍為57～190℃。不過，據(jù)稻澤介紹，通常會在80～90℃（最佳溫度為90℃）下工作。在這種溫度下，NaFSA和KFSA會熔融，如水般順利流動，并分離為Na離子、K離子以及FSA離子。在57℃時，會比較粘稠，因此Na離子難以移動。

充電時Na離子會從正極的NaCrO2溶出，移向負極。反之放電時Na離子從負極的Na-Sn合金溶出，移向正極。由于Na離子單獨存在、可在電極間移動，因此無需溶解Na離子的溶劑。而在鋰離子電池中，由于鋰離子與作為溶劑的碳酸二乙酯（DEC）緊貼在一起，形成所謂溶化劑在電解質中移動，因此需要溶劑。

住友電工利用試制的新型電池制成了容量為每節(jié)9kWh、由4節(jié)構成的36kWh電池組，并設置在該公司的大阪制作所實施了現(xiàn)場測試。通過過充電等，調查了該電池的各種特性。

將新型電池制成電池組時的體積，按照住友電工的推算，約為該容量（36kWh）鋰離子電池組的一半、是該容量NAS電池組的1/4左右。與鋰離子電池的電池組不同，新型電池無需散熱空間，可高密度配置，而且只需要簡單的冷卻裝置即可，因此可以小型化。冷卻裝置是防備電池組周圍因火災等而起火時的應急對策。因溫度超過190℃熔融鹽會分解并產生氣體，冷卻裝置的安裝是為防止出現(xiàn)這種情況。電池本身的能源密度高達290Wh/L。

新型電池的實用化目標時期為2015年。今后，住友電工計劃將其用于中等規(guī)模電網和家庭等的電力儲存用途，以及包括卡車和巴士等車載用途在內的廣泛領域，將在反復評測和改良該電池的同時，尋找能在更低溫度下工作的熔融鹽＊2。確立生產技術、著眼于標準化改進構造將是今后的探討課題。

2：為了面向MWh級別的大容量用途，住友電工正在推進開發(fā)其他的電池（氧化還原液流電池）。熔融鹽電解液電池還存在量產課題，因此目前難以實現(xiàn)大容量化。氧化還原液流電池是利用釩（V）等離子的氧化還原反應充放電的充電電池。適于不規(guī)則且變化劇烈的充放電，而且可以準確地監(jiān)測和控制蓄電量，因此適合用于太陽能發(fā)電和風力發(fā)電的蓄電用途。

新型電池無法全面代替鋰離子電池。但，這種電池實現(xiàn)實用化后，可以分散電池所需要的資源，并提高電池的安全性。這是一項有助于構筑可持續(xù)發(fā)展社會的技術。