鋰離子電池的新正極材料，能量密度有望達(dá)6倍

　　純電動(dòng)汽車(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(xiàn)有EV用LIB的6倍以上的新型候補(bǔ)正極材料已經(jīng)問世，那就是日本東京電機(jī)大學(xué)工學(xué)系環(huán)境化學(xué)科副教授藪內(nèi)直明領(lǐng)導(dǎo)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(jī)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(jié)構(gòu)如右圖，是巖鹽型(NaCl型)結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)(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(jī)插入過渡金屬錳原子、或過渡金屬鈮原子、或鋰原子的結(jié)構(gòu)。

　　其實(shí)，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化物本來是無(wú)法可逆地去掉鋰原子的。但是，美國(guó)馬薩諸塞工科大學(xué)近年的研究發(fā)現(xiàn)，如果提高鋰相對(duì)于過渡金屬的組成比，就能解決這個(gè)問題。此次，藪內(nèi)等人成功合成的摻錳鈮酸鋰中，過渡金屬(Mn和Nb)與鋰的組成比為0.7:1.3。通過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，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(jié)構(gòu)中有三維骨架。因此，即使插入或去掉大量的鋰，結(jié)構(gòu)也難以崩潰。據(jù)藪內(nèi)介紹，“初次充電，可去掉大約9成的鋰。并且，其中8成可通過放電可逆性恢復(fù)”。

　　新材料的平均電壓在鋰金屬基準(zhǔn)下為3V以上。負(fù)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(dá)950Wh/kg。這是質(zhì)量能量密度為100～150Wh/kg的現(xiàn)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(cè)試，但“在電壓范圍為1.5～4.2V、電流密度為25mA/g的條件下，容量基本沒有劣化”(藪內(nèi))。因此，成本“可以比鈷酸鋰低”。

　　該技術(shù)的實(shí)用化目標(biāo)時(shí)間是5年后。最初瞄準(zhǔn)的應(yīng)用是便攜式電子產(chǎn)品。今后還將研究熱穩(wěn)定性，并提高作為電池材料的完成度。面向?qū)嵱没_立量產(chǎn)技術(shù)也將是一大課題。