863專家談鋰離子動力電池的發展潛力

　　不同于特定容量普遍偏低的正極材料，硅、錫等許多負極材料的電位可以提供更大的容量，特別是硅，其理論容量至少10倍于目前最常用的負極材料石墨。但鋰離子的嵌入可以導致400%的體積變化，結構很容易因反復充放電遭到破壞，其壽命延長成為一個關鍵問題。

　　研究人員已經在嘗試與傳統石墨混合以制造空氣間隙，從而控制體積膨脹到一定程度，以及與氧化硅或其他材料再混合的石墨，以制造出一種氧化硅-碳（SiO-C）的復合材料。一、兩年內，使用這種硅復合負極材料的電池將首先應用在手機中。

　　對于電動車來說，鋰離子動力電池組的安全性非常重要。由于負極材料石墨比鋰的電位低，因而不可避免地會出現鋰沉積在負極界面或電解質形成化合物的問題。

　　東芝為此開發出一種鋰鈦氧化物LTO（Li4Ti5O12）的新型負極材料。LTO比鋰的電位高，可避免上面提到的鋰沉積或與電解質界面反應的問題，提高了電池的安全性。不過，LTO的電位比鋰高出約1.5V，使用現有的正極材料時，電池放電電壓將減少至約2.4V。其理論電容與石墨相當，因此電池能量密度的提高有一定程度的限制。

　　在采用LTO與5V的正極材料，或者采用它與高容量硅合金復合材料或類似材料，以提高電池放電電壓的情況下，電池能量密度很可能至少可以提高到200Wh/kg。

　　另外，據王子冬介紹，全球各電池廠商及相關機構正在加緊針對全新類型、能量密度超過500Wh/kg電池的基礎研究，如固態電池、鋰金屬電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等，并計劃在2030年前后開始推向市場。

圖7 鋰離子電池材料開發的長遠目標

　　對于全固態電池，日本大阪府立大學一直在研究采用硫化物類固態電解質。例如，加熱Li2S-P2S5類玻璃進行結晶化后的電池，其室溫下的離子導電率達到10-3S/cm以上，與目前液態電解質的導電率水平相同，而且還可能再提高2～5倍。

　　對于仍用有機溶劑，但采用新結構以提高能量密度的鋰空氣電池，由于其正極上用空氣中的氧作為活性物質，因此，理論上正極的容量密度是無限的。此外，當負極使用金屬鋰時，理論容量可比鋰離子電池高一個數量級。日本產業技術綜合研究所與日本學術振興會已開發出這種電池。

圖8 新結構的鋰空氣電池原理示意圖

　　電池的負極采用金屬鋰條，電解液組合用的是含有鋰鹽的有機電解液，正極的水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與微細化后的碳和低價氧化物催化劑形成正極組合。

　　該電池放電反應生成的不是固體氧化鋰（Li2O），而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰（LiOH）。因此，氧化鋰在空氣電極堆積后，不會導致工作停止。另外，水及氮等也不會穿過固體電解質隔膜，因此不會出現與負極鋰金屬發生反應的危險。在配置充電專用的正極時，還可防止充電導致空氣電極的腐蝕和老化。

　　試驗結果表明，以0.1A/g的放電率放電時，放電容量約為9000mAh/g，而此前的鋰空氣電池放電容量只有700～3000mAh/g。

　　另外，若以水溶液代替水溶性凝膠，可在空氣中以0.1A/g的放電率放電20天，其放電容量約為50000mAh/g，比原來提高一個數量級。由于金屬鋰電池的容量本來就比鋰離子電池高一個數量級，因此，這一放電容量實際上比鋰離子電池高了2個數量級。不過，凝膠的易用性更好些。

　　另外，如果不對這種鋰空氣電池直接充電，而是通過底座更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補充負極的金屬鋰，可縮短電動車的充電時間，更換后即可行駛。通過回收水性電解液重新生成金屬鋰，可實現鋰的循環使用。