鋰離子電池的新正極材料，能量密度有望達6倍

　　純電動汽車(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量能量密度提高到“LEAF”(聆風)等現(xiàn)有EV用LIB的6倍以上的新型候補正極材料已經問世，那就是日本東京電機大學工學系環(huán)境化學科副教授藪內直明領導的研發(fā)小組成功合成的摻錳鈮酸鋰(Li1.3 Mn0.4 Nb0.3O2)(圖)。

　　圖：日本東京電機大學成功合成的新正極材料

　　左圖為合成的摻錳鈮酸鋰，其結構如右圖，是巖鹽型(NaCl型)結構氧化物。

　　從化學式也可以看出，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)結構(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、在鈉原子位置隨機插入過渡金屬錳原子、或過渡金屬鈮原子、或鋰原子的結構。

　　其實，具有這種結構的氧化物本來是無法可逆地去掉鋰原子的。但是，美國馬薩諸塞工科大學近年的研究發(fā)現(xiàn)，如果提高鋰相對于過渡金屬的組成比，就能解決這個問題。此次，藪內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，并且晶體結構中有三維骨架。因此，即使插入或去掉大量的鋰，結構也難以崩潰。據(jù)藪內介紹，“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”。

　　新材料的平均電壓在鋰金屬基準下為3V以上。負極采用鋰金屬、電解質的鋰鹽采用六氟化磷酸鋰、電解質的溶劑采用碳酸二乙酯和碳酸二甲酯時，在電流密度為10mA/g的條件下的質量能量密度高達950Wh/kg。這是質量能量密度為100～150Wh/kg的現(xiàn)行EV用LIB的6倍以上。循環(huán)特性方面，目前只實施了充放電20次的測試，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)。因此，成本“可以比鈷酸鋰低”。

　　該技術的實用化目標時間是5年后。最初瞄準的應用是便攜式電子產品。今后還將研究熱穩(wěn)定性，并提高作為電池材料的完成度。面向實用化確立量產技術也將是一大課題。