新型鐵基電極材料延長鋰離子電池工作壽命

圖1：新型正極材料在透射式電子顯微鏡下的觀察圖像

　　2011年4月26日，日本電氣化學(xué)工業(yè)株式會社宣布在磷酸鐵鋰LiFePO4（Lithium Iron Phosphate）材料基礎(chǔ)上開發(fā)出新型正極復(fù)合材料，降低了磷酸鐵鋰材料的電阻，可延長鋰離子充電電池的工作壽命。

　　該材料乃是電氣化學(xué)工業(yè)株式會社和位于日本三重縣津市（Tsu City, Mie Prefecture）的SEI集團(tuán)的合作成果，后者專注于鋰離子充電電池材料的研究與開發(fā)。

　　當(dāng)前，較大比例的鋰離子充電電池都采用磷酸鐵鋰LiFePO4作為正極材料。該材料具有多方面的優(yōu)勢。首先是能量密度較高，理論比容量達(dá)到170毫安時/克，實際比容量也可達(dá)到140毫安時/克（0.2C，25°C條件下）以上。其次是安全性，磷酸鐵鋰不含對人體有害的重金屬元素，是目前安全性最高的鋰離子電池正極材料。第三是無記憶效應(yīng)，避免像鎳電池一樣產(chǎn)生結(jié)晶。第四是充電速度較快。

　　關(guān)于磷酸鐵鋰正極材料對電池壽命的影響則要一分為二來看待。該材料具有較高的晶格穩(wěn)定性，晶格很少受到鋰離子的嵌入和脫出的影響，可逆性良好，在100%DOD條件下，可以充放電2000次以上；但磷酸鐵鋰電極材料的電子離子傳導(dǎo)率相對較低，在電流強(qiáng)度較大的充電-放電操作下依然會影響壽命。

　　按照電氣化學(xué)工業(yè)株式會社的觀點，對于汽車應(yīng)用而言，選用磷酸鐵鋰電極材料的電池，其充電-放電壽命循環(huán)總數(shù)仍可提高。若采用在磷酸鐵鋰基礎(chǔ)上開發(fā)的新材料，則電池的充電-放電壽命循環(huán)總數(shù)可達(dá)到或超過采用其他非鐵基正極材料電池的水平。

　　此次電氣化學(xué)工業(yè)株式會社為磷酸鐵鋰添加乙炔碳黑（Acetylene Black）和碳納米纖維（Carbon Nanofiber）作為導(dǎo)電改性成分。乙炔碳黑主要由乙炔電石（Acetylene）通過熱分解（Pyrolytically Decomposing）方式制成。三種材料混合后固化，因此導(dǎo)電路徑可以根據(jù)既定目標(biāo)設(shè)置安排，從而降低了電阻特性。和現(xiàn)有的鐵基正極材料相比，新材料的電阻率下降約30%。

　　圖1為新型正極材料在透射式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope）下的觀察圖像。點狀分布區(qū)域為磷酸鐵鋰；碳納米纖維分布于圖中線條之上。由于碳纖維彼此搭接（Lap Over），外觀上呈現(xiàn)集中趨勢。乙炔碳黑在圖上未顯示，原因是過于細(xì)小，依附于碳納米纖維之上。

　　制造工藝的處理細(xì)節(jié)由公司獨家開發(fā)，目前尚未公布。不過對比現(xiàn)有的鐵基正極材料，新材料在加工過程中無需進(jìn)行粉碎處理。此外，處理工序也并未要求增添特殊設(shè)備，故此成本漲幅并不明顯。

　　電阻率下降之后，廢熱等影響電池工作壽命的因素得到了一定的抑制，從而可以實現(xiàn)鐵基正極材料的工作壽命與其他正極材料相當(dāng)甚至超越，例如錳基（Manganese-based）材料、三元復(fù)合材料（例如銅-錫-銻，Cu-Sn-Sb）等正極材料。

　　電池到工作壽命結(jié)束時可能因為性能衰變而降低容量30%之多。諸如車用電池等大型鋰離子充電電池最長的充電-放電壽命循環(huán)總數(shù)當(dāng)前大約在2000-3000之間。不過日本電氣化學(xué)工業(yè)株式會社認(rèn)為新型正極材料的壽命甚至還超過了上面的數(shù)據(jù)。在評估階段，與新材料電極搭配使用的是一個常見碳基材料負(fù)電極。

　　當(dāng)前，公司正著手向汽車制造商、電子元件制造商和電力相關(guān)企業(yè)提供新型正極材料，從而對新材料的性能開展評估。