充電電池的研發(fā)呈多樣化，更加注重安全性能

　　但負(fù)極材料采用石墨的現(xiàn)行鋰離子充電電池的能量密度正在接近極限。今后將通過(guò)混合使用硅（Si）及錫（Sn）等合金類負(fù)極材料，來(lái)提高能量密度，目標(biāo)是到2020年使能量密度達(dá)到800～1000Wh/L左右。

　　便攜終端用電池方面，雖然高容量化仍是今后的開發(fā)主流，但部分企業(yè)已開始轉(zhuǎn)向其他開發(fā)方向，比如將原來(lái)長(zhǎng)達(dá)1～2小時(shí)的充電時(shí)間縮短至10分鐘左右，在不增加容量的情況下提高易用性。

　　以NTT DoCoMo為例，該公司在CEATEC JAPAN 2011上公開了可在10分鐘內(nèi)快速充電的移動(dòng)電源試制品。可利用外出前或在餐廳吃飯時(shí)等較短的時(shí)間，為移動(dòng)電源快速充電，然后再利用移動(dòng)電源為智能手機(jī)充電。

　　如果能夠結(jié)合使用NTT DoCoMo已開始銷售的無(wú)線供電系統(tǒng)，構(gòu)建可隨時(shí)隨地快速充電的基礎(chǔ)設(shè)施，便有望在不增加充電電池容量的情況下提高便攜終端的易用性注5）。

　　注5）NTT DoCoMo推出了配備非接觸充電功能“放置充電”的智能手機(jī)。該公司為了提高這些智能手機(jī)的易用性，目前正在咖啡館及機(jī)場(chǎng)候機(jī)室等場(chǎng)所建設(shè)可進(jìn)行無(wú)線充電的基礎(chǔ)設(shè)施。

　　低成本化要求嚴(yán)格

　　在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，HEV用途與PHEV/EV用途的開發(fā)方向?qū)芪挤置?。HEV用途方面，因較為重視高輸出功率及長(zhǎng)壽命，除了鋰離子充電電池之外，估計(jì)還會(huì)采用鋰離子電容器。而PHEV及EV用途方面，將會(huì)開發(fā)既具備高安全性及長(zhǎng)壽命，又能實(shí)現(xiàn)高容量化的電池。而且，電動(dòng)汽車用途對(duì)低成本化的要求非常嚴(yán)格。估計(jì)很難采用現(xiàn)有便攜終端用電池采用的鈷（Co）等成本較高的材料。

　　定置用途方面的開發(fā)動(dòng)向也一樣?？稍偕茉雌骄猛痉矫?，已開始引入鋰離子電容器，以電網(wǎng)電力的高峰期轉(zhuǎn)換用途為代表，大樓及住宅用蓄電系統(tǒng)用途與PHEV及EV用途一樣，要求電池安全性高、壽命長(zhǎng)，而且可以提高容量。但低成本化要求比電動(dòng)汽車用途更為嚴(yán)格，估計(jì)超過(guò)1MW的大型電池還會(huì)采用氧化還原液流電池。

　　獲得第三方認(rèn)證

　　隨著電池用途的不斷擴(kuò)大，電池的開發(fā)重心呈現(xiàn)出了高容量、高安全性及長(zhǎng)壽命等多樣化趨勢(shì)。即便如此，在市場(chǎng)快速擴(kuò)大的電動(dòng)汽車用途與定置用途方面，今后開發(fā)的大前提仍是安全性高和長(zhǎng)壽命。

　　在這種形勢(shì)下，從事定置用鋰離子充電電池業(yè)務(wù)的ELIIYPower宣布，2011年8月其大型鋰離子充電電池全球首次獲得了國(guó)際第三方機(jī)構(gòu)TUV Rheinland日本實(shí)施的安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證“TV-S Mark”（圖4）。達(dá)到了振動(dòng)測(cè)試、貫通測(cè)試、沖擊測(cè)試、冷熱沖擊測(cè)試、短路測(cè)試、過(guò)放電測(cè)試、落下測(cè)試、浸水測(cè)試、破壞測(cè)試、異常加熱測(cè)試及過(guò)充電測(cè)試等11個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試及工廠監(jiān)查的要求，并獲得了認(rèn)證。

　　圖4：注重安全性的電池單元

　　ELIIYPower開發(fā)出了注重安全性的鋰離子充電電池（a）。全球首次獲得了第三方機(jī)構(gòu)TUV Rheinland日本實(shí)施的安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證“TV-S Mark”。實(shí)施了鈍釘穿剌、高溫、過(guò)充電及過(guò)放電等測(cè)試，符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)（b，c）。

　　ELIIYPower采用了正極材料使用高溫下具有出色熱穩(wěn)定性的磷酸鐵鋰（LiFePO4）的電池單元。2010年4月，該公司在川崎市建成年產(chǎn)20萬(wàn)個(gè)單元的量產(chǎn)工廠，并開始生產(chǎn)這種電池。

　　2010年12月，ELIIYPower通過(guò)在μm級(jí)別上對(duì)正極和負(fù)極進(jìn)行微細(xì)構(gòu)造控制，優(yōu)化與電解液等的組合方式，使單元的能量密度比其原產(chǎn)品提高了約10％。而且，將使用溫度范圍擴(kuò)大到了－20～60℃，尤其提高了高溫下的循環(huán)特性以及低溫下的充電性能。

　　據(jù)ELIIYPower介紹，盡管以前就曾對(duì)這種電池單元實(shí)施過(guò)鈍釘穿剌測(cè)試、壓碎測(cè)試、過(guò)充電測(cè)試及過(guò)放電測(cè)試等，并證明不會(huì)冒煙、起火及破裂，但考慮到今后要向家庭等普及這種電池，便取得了第三方機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。

　　受東日本大地震后日本各地電力短缺的影響，住宅企業(yè)等開始考慮采用家用蓄電系統(tǒng)。但目前的現(xiàn)狀是，很多住宅企業(yè)都很擔(dān)心鋰離子充電電池的安全性，希望電池廠商能夠大幅提高電池單元的安全性。

　　實(shí)際生活中也曾發(fā)生過(guò)讓這種擔(dān)憂加劇的事故。2011年9月下旬，此前作為大型蓄電池不斷獲得應(yīng)用的硫化鈉（NaS）電池發(fā)生了火災(zāi)事故。由于起火原因尚未查明，作為銷售商的日本礙子（NGK）決定停止供貨，而且于2011年11月要求正在生產(chǎn)的NAS電池停產(chǎn) 注6）。

　　注6）日本礙子（NGK）2011年10月28日宣布停產(chǎn)NAS電池。2011年9月下旬三菱材料公司的筑波制作所發(fā)生了NAS電池火災(zāi)事故，因未查明原因，日本礙子便采取了這樣的措施。

　　電池單元自身必須具備較高的安全性

　　不僅是定置用途，估計(jì)今后電動(dòng)汽車用途對(duì)電池的這種擔(dān)憂也會(huì)加劇。其原因是，“即便是ppm級(jí)別的缺陷，也會(huì)使大容量電池造成致命事故”（汽車業(yè)內(nèi)人士）。因此，估計(jì)今后電動(dòng)汽車用途將越來(lái)越多地采用正極材料使用高溫穩(wěn)定性出色的LiFePO4的鋰電池。目前已開始出現(xiàn)這種征兆。

　　比如，本田已宣布在預(yù)定2012年上市的PHEV上采用正極材料使用LiFePO4的GS湯淺產(chǎn)鋰電池。美國(guó)通用汽車公司也同樣表示將在EV上采用由A123 Systems生產(chǎn)的、使用LiFePO4的鋰電池。

　　使用LiFePO4的鋰電池也存在問(wèn)題。LiFePO4在制成電池單元時(shí)，電壓只有3.5V，因此在電動(dòng)汽車及定置用途等大電壓條件下使用時(shí)，需要增加單元的串聯(lián)數(shù)等，易用性較低。

　　因此，作為瞄準(zhǔn)2020年的研發(fā)方向，具備與LiFePO4相同的橄欖石構(gòu)造、電壓達(dá)到4V以上的磷酸錳鋰（LiMnPO4）及磷酸鎳鋰（LiNiPO4）等備受關(guān)注。LiMnPO4方面，住友大阪水泥已宣布2011年內(nèi)開始樣品供貨這種正極材料，今后估計(jì)以采用這種材料的鋰電池的實(shí)用化為目標(biāo)的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)更加激烈。

　　與電解液同等的性能

　　為了在提高安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高容量化，利用固體電解質(zhì)而非目前主流的電解液的研發(fā)活動(dòng)日益活躍。這種電池稱為全固體電池。

　　全固體電池方面，人們發(fā)現(xiàn)了離子導(dǎo)電度與傳統(tǒng)電解液同等的物質(zhì)。這就是硫化物類固體電解質(zhì)之一——Li10GeP2S12。表示鋰擴(kuò)散速度的離子導(dǎo)電度可在室溫（27℃）下達(dá)到1.2×10－2S/cm，這是一個(gè)極高的數(shù)值。

　　開發(fā)出這種電解質(zhì)的是，東京工業(yè)大學(xué)、豐田與高能源加速器研究機(jī)構(gòu)組成的研發(fā)小組。主導(dǎo)研發(fā)的東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究系物質(zhì)電子化學(xué)專業(yè)教授菅野了次自信地表示，“打破了此前固體電解質(zhì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的、在室溫下達(dá)到10－2S/cm的極限”。

　　豐田已試制出了采用這種固體電解質(zhì)的電池單元。該公司在2011年10月舉行的“第52屆電池研討會(huì)”上就其試制的單元發(fā)表了演講，演講題目為“采用高離子導(dǎo)電體Li10GeP2S12的全固體電池的特性”（演講序號(hào)：4C21）（圖5）。解決了此前全固體電池存在的大電流放電問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果顯示，可實(shí)現(xiàn)50C的高倍率放電。

　　圖5：離子導(dǎo)電性與電解液同等的全固體電池

　　豐田試制出了采用固體電解質(zhì)Li10GeP2S12的全固體電池，這種電解質(zhì)具備與電解液同等的離子導(dǎo)電性（a、b）。試制的電池單元可實(shí)現(xiàn)50C的放電倍率（c）。與此前開發(fā)的固體電解質(zhì)相比，具備高輸出功率特性（d）。

　　測(cè)試時(shí)，采用了由碳材料混合而成的電池單元，正極使用鈷酸鋰（LiCoO2），負(fù)極使用鈦酸鋰（Li4Ti5O12）。正極材料LiCoO2在包覆可降低界面電阻的鈮酸鋰（LiNbO3）之后，與固體電解質(zhì)混合在一起。

　　這種電池存在的課題是，除固體電解質(zhì)外，還存在較大的電阻因素，這會(huì)對(duì)高倍率特性帶來(lái)巨大影響。豐田今后打算從被覆在正極材料的LiNbO3、負(fù)極電阻以及正極或負(fù)極電子通路等的影響中找出問(wèn)題的原因所在。

　　如果能夠解決此類問(wèn)題，估計(jì)就能利用固體電解質(zhì)，使安全性更高、容量更大的鋰電池實(shí)用化。