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锡和硅成为负极开发焦点
安全性先聊到这里,下面来介绍以高容量为目标的新型正极和负极活性物质的开发进展。
首先来看负极。现在备受关注的负极材料是锡(Sn)和硅(Si)。常见的负极材料石墨与大容量的希望之星——锡和硅的理论容量相比,锡和硅的单位体积容量远远超过了石墨/锂(锡为8.6倍,硅为11.7倍)(表3)。
表3:负极材料的理论放电容量
但金无足赤人无完人,锡和硅也存在问题。最大的课题是吸贮锂后,其体积将膨胀到200~300%,在充放电时就要承受巨大的机械应力,使负极受到破坏,形成微颗粒,充放电循环特性容易发生劣化。
为了解决这个课题,很多研究人员进行了各种尝试。其中,最先克服问题、成功实现商品化的,是使用锡作为负极的索尼的LIB“Nexelion”。这种电池的负极使用Sn-Co-C三元合金。在结构上,由Sn-Co合金组成的超微颗粒散布在碳相的海洋中,钴与碳形成碳化物(图3)。这种结构在一定程度上遏制了锡在吸贮锂时发生的膨胀,提高了循环特性。
图3:Sn-Co-C负极结构的模式图
索尼开发出了负极使用锡的电池“Nexelion”。碳相中散布着由Sn-Co合金组成的超微颗粒,钴与碳形成碳化物。
Nexelion(直径14mm×高43mm)的容量比同尺寸的石墨LIB高出约30%。而且值得一提的是,快速充电性能也有了明显提升。石墨LIB在进行60分钟的1C充电后,电量达到90%,采用Sn-Co-C负极的单元在进行2C/30分钟充电后,电量就达到了90%。而且,充放电循环特性方面,1C和2C充电均在300个循环后维持在初始容量的约80%,表现出了良好的特性。
不过,锡、钴、碳组成合金后,与单独使用锡相比,负极容量偏低,单独使用锡的LIB的单位体积充电容量是石墨/金属锂的8.6倍,而Nexelion的容量只比石墨LIB高30%。这方面还要进一步改善。
除了Nexelion之外,还有利用其他合金遏制锡的体积膨胀的尝试。例如,早稻田大学先进理工学部逢坂研究室于2003年宣布,镍合金能够遏制锡的膨胀和收缩,降低充放电循环特性的劣化。该研究室还在2008年提出了制造介孔锡(在锡负极上设置规则、均匀的微孔)结构体,利用微孔吸收体积膨胀,减轻构造应力的方案。采用这一方案的锂电池的容量有可能达到石墨LIB的1.5~2倍左右。
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