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索尼鋰電池采用錫類負極材料使容量增加25%
日期:2015-03-30

  近日,索尼宣布將采用錫(Sn)類負極材料來提高鋰離子充電電池的容量。此次開發的是“18650”尺寸(直徑18mm×高65mm)的電池單元,容量高達3.5Ah。與該公司2010年投產的2.8Ah原產品相比,容量大幅增加了25%。體積能量密度為723Wh/L。重量為53.5g,重量能量密度為226Wh/kg。充電電壓為4.3V。預定2011年內開始供貨。

  索尼開發出了通過采用Sn類負極材料使單元容量比原來提高25%的鋰離子充電電池“Nexelion”(a)。此前一直通過采用石墨負極材料來增加容量,但最近以來容量增加率放緩。Sn具有遠遠大于普通負極材料石墨的理論容量(b)。

  其實,此次并不是索尼首次使負極采用Sn的鋰離子充電電池實現產品化。該公司已從2005年開始面向攝像機銷售直徑14mm×高43mm的“14430”尺寸電池單元。此次將面向筆記本電腦量產比14430大一圈的18650尺寸產品。

  實現Sn類材料的非晶化

  要使18650尺寸電池單元實現3.5Ah的高容量,“只能改變負極材料”(索尼Energy Device LI第1事業部門商品設計1部統括部長井上弘)。索尼曾于1997年前后通過將負極材料由原來的低結晶性碳(硬碳)改為石墨提高了容量。

  之后則主要通過改進正極材料,將容量提高到了當初的約2.5倍,但最近以來的容量增加率卻在不斷降低。于是,索尼時隔約14年再次決定更改18650單元的負極材料,采用了Sn類材料。

  Sn和硅(Si)與目前的主流負極材料石墨相比,具有近10倍的理論容量。但充放電時負極的膨張和收縮會破壞晶體構造,因此充放電周期壽命較短。此次索尼通過Sn類材料的非晶化解決了這一問題(圖2)。該公司通過在納米級別上使Sn、鈷(Co)及碳等多種元素實現非晶化,抑制了充放電時粒子的形狀變化,從而提高了電池單元的充放電周期壽命。

  高容量也可確保安全性

  此次開發的鋰離子充電電池還改進了正極與隔膜。將正極材料由可兼顧容量與安全性的三元類(Li(Ni-Co-Mn)O2)材料改成了鈷酸鋰(LiCoO2)。LiCoO2的Co材料價格較高,而且熱穩定性處于劣勢,所以正極材料一直在向三元類轉變,但索尼卻逆潮流而上,采用了容量更高的LiCoO2。

  LiCoO2會在出現內部短路等異常時溫度升高,這種情況下會產生氧,氧與有機電解液發生反應后可能會燃燒。因此,索尼在LiCoO2粒子表面“進行了0.1~1μm厚覆膜處理”(井上)。據該公司介紹,這種方法可降低氧與有機電解液的反應。

  隔膜方面,為了防止發生內部短路,在聚烯烴微多孔膜的兩面形成了數μm厚的金屬氧化物陶瓷層。陶瓷層具備三維構造,直徑不到1μm的金屬氧化物粒子與作為粘合劑的樹脂呈網眼狀連接在一起。發生異常時,柔軟性與粘合性較高的樹脂網可使絕緣物即金屬氧化物附著在異物周圍,從而限制電流通過。

  當然,新型單元也還存在課題。比如,反復充放電300次以后,容量會降至最初的約80%。反復充放電500次以后容量會降至約60%,只勉強達到了可供筆記本電腦使用的最低標準。今后要想擴大銷售,必須提高電池單元的充放電周期。

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