索尼新型鋰電池采用錫類負(fù)極材料使容量增加25%
索尼2011年7月宣布,將采用錫(Sn)類負(fù)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(dá)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(yù)定2011年內(nèi)開始供貨。
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圖1:通過采用Sn負(fù)極使容量增加25%
索尼開發(fā)出了通過采用Sn類負(fù)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(fù)極材料來增加容量,但最近以來容量增加率放緩。Sn具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通負(fù)極材料石墨的理論容量(b)。
其實,此次并不是索尼首次使負(fù)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(fù)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(fù)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(jìn)正極材料,將容量提高到了當(dāng)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(fù)極材料,采用了Sn類材料。
Sn和硅(Si)與目前的主流負(fù)極材料石墨相比,具有近10倍的理論容量。但充放電時負(fù)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(fù)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(jìn)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(yīng)后可能會燃燒。因此,索尼在LiCoO2粒子表面“進(jìn)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(yīng)。
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(dǎo)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(dāng)然,新型單元也還存在課題。比如,反復(fù)充放電300次以后,容量會降至最初的約80%。反復(fù)充放電500次以后容量會降至約60%,只勉強達(dá)到了可供筆記本電腦使用的最低標(biāo)準(zhǔn)。今后要想擴大銷售,必須提高電池單元的充放電周期。
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