利用Sn類負(fù)極及鐵類正極材料大幅提高電池性能

基于機(jī)械力化學(xué)處理方法之一的超離心力場溶膠-凝膠法的研究契機(jī)是什么？

其實(shí)2002年直井研究室成立風(fēng)險企業(yè)“KDouble”時，就在產(chǎn)業(yè)界各位有識之士的協(xié)助下，本著“最終實(shí)用化”的方向大幅調(diào)整了當(dāng)時研究室推進(jìn)的研究內(nèi)容。包括日本獨(dú)有的新技術(shù)，以及只有某一特殊領(lǐng)域才掌握的方法論等在內(nèi)，獲得了很多知識和啟發(fā)。在探索這些技術(shù)和方法的可能性的同時不斷進(jìn)行改進(jìn)，歷經(jīng)數(shù)年終于啟動了采用超離心機(jī)械力化學(xué)處理方法的研究。這是KDouble的核心技術(shù)，目前已發(fā)展為“納米合成技術(shù)”。該技術(shù)的特點(diǎn)是，方法簡單、周期短并有望量產(chǎn)，因此能夠快速實(shí)用化。

首先開始研究的是使用釕（Ru）的電容器電極材料。采用機(jī)械力化學(xué)處理方法實(shí)現(xiàn)了水合RuO2的微粒子化，從而在水合條件下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1000F/g以上的大容量。這是一種具備大容量的材料，接近現(xiàn)行活性炭的10倍。這是我們對“納米合成技術(shù)”的首次嘗試。但Ru屬于稀有金屬，因此從成本考慮，實(shí)用化比較困難。于是，我們開始考慮采用同為過渡金屬的錳（Mn）、鈦（Ti）、錫（Sn）、硅（Si）、釩（V）及鐵（Fe）等材料。

目前正在致力于什么研究？

Ti方面，日本Chemi-Con已宣布采用鈦酸鋰（LTO）與碳復(fù)合而成的電極材料實(shí)現(xiàn)鋰離子電容器的商用化。此外，該公司還采用納米合成技術(shù)制造了SnO2等Sn類材料，發(fā)現(xiàn)這種材料具備非常出色的性能，目前正將其作為鋰離子電池的負(fù)極材料接受樣品評測。

作為直井研究室來說，不會區(qū)分電容器與鋰離子電池，而是打算將其作為基于鋰離子的新一代產(chǎn)品推進(jìn)研究。具體來說，目前正在致力于磷酸鐵鋰（LiFePO4）的研究。LiFePO4的材料成本較低，因此我們認(rèn)為比較適合大尺寸產(chǎn)品使用。

而且，采用納米合成技術(shù)將LiFePO4與碳復(fù)合后形成的材料，即使在與電容器相當(dāng)?shù)臄?shù)百C大電流下充放電，也能確保容量。估計(jì)這是因?yàn)長iFePO4的納米晶體中的bc面變形較少的緣故。

如果正極采用LiFePO4，負(fù)極采用活性炭的話，便可制造出正極利用氧化還原反應(yīng)（Redox反應(yīng)）的鋰離子電容器。前面提到的采用LTO的鋰離子電容器則是負(fù)極利用氧化還原反應(yīng)的產(chǎn)品。

今后，為了全面普及新一代電網(wǎng)“智能電網(wǎng)”，會逐步導(dǎo)入可再生能源，為此需要開發(fā)壽命較長的大型蓄電設(shè)備。正極或負(fù)極采用活性炭的合成型蓄電設(shè)備具有出色的壽命特性，因此從10～20年內(nèi)可利用的能源總量考慮，應(yīng)該非常適用。當(dāng)然，在輸出功率及壽命要求不高的用途方面，估計(jì)今后正極及負(fù)極均利用氧化還原反應(yīng)的傳統(tǒng)鋰離子電池的容量將會提高。

作為可提高電池容量的材料，我們還在研究采用納米合成技術(shù)的新型納米硫（S）類材料。今后我們還打算采用這種納米合成技術(shù)制造用于能量儲存及轉(zhuǎn)換的高性能電極材料。