新型铁基电极材料延长锂离子电池工作寿命

图1：新型正极材料在透射式电子显微镜下的观察图像

　　2011年4月26日，日本电气化学工业株式会社宣布在磷酸铁锂LiFePO4（Lithium Iron Phosphate）材料基础上开发出新型正极复合材料，降低了磷酸铁锂材料的电阻，可延长锂离子充电电池的工作寿命。

　　该材料乃是电气化学工业株式会社和位于日本三重县津市（Tsu City, Mie Prefecture）的SEI集团的合作成果，后者专注于锂离子充电电池材料的研究与开发。

　　当前，较大比例的锂离子充电电池都采用磷酸铁锂LiFePO4作为正极材料。该材料具有多方面的优势。首先是能量密度较高，理论比容量达到170毫安时/克，实际比容量也可达到140毫安时/克（0.2C，25°C条件下）以上。其次是安全性，磷酸铁锂不含对人体有害的重金属元素，是目前安全性最高的锂离子电池正极材料。第三是无记忆效应，避免像镍电池一样产生结晶。第四是充电速度较快。

　　关于磷酸铁锂正极材料对电池寿命的影响则要一分为二来看待。该材料具有较高的晶格稳定性，晶格很少受到锂离子的嵌入和脱出的影响，可逆性良好，在100%DOD条件下，可以充放电2000次以上；但磷酸铁锂电极材料的电子离子传导率相对较低，在电流强度较大的充电-放电操作下依然会影响寿命。

　　按照电气化学工业株式会社的观点，对于汽车应用而言，选用磷酸铁锂电极材料的电池，其充电-放电寿命循环总数仍可提高。若采用在磷酸铁锂基础上开发的新材料，则电池的充电-放电寿命循环总数可达到或超过采用其他非铁基正极材料电池的水平。

　　此次电气化学工业株式会社为磷酸铁锂添加乙炔碳黑（Acetylene Black）和碳纳米纤维（Carbon Nanofiber）作为导电改性成分。乙炔碳黑主要由乙炔电石（Acetylene）通过热分解（Pyrolytically Decomposing）方式制成。三种材料混合后固化，因此导电路径可以根据既定目标设置安排，从而降低了电阻特性。和现有的铁基正极材料相比，新材料的电阻率下降约30%。

　　图1为新型正极材料在透射式电子显微镜（Transmission Electron Microscope）下的观察图像。点状分布区域为磷酸铁锂；碳纳米纤维分布于图中线条之上。由于碳纤维彼此搭接（Lap Over），外观上呈现集中趋势。乙炔碳黑在图上未显示，原因是过于细小，依附于碳纳米纤维之上。

　　制造工艺的处理细节由公司独家开发，目前尚未公布。不过对比现有的铁基正极材料，新材料在加工过程中无需进行粉碎处理。此外，处理工序也并未要求增添特殊设备，故此成本涨幅并不明显。

　　电阻率下降之后，废热等影响电池工作寿命的因素得到了一定的抑制，从而可以实现铁基正极材料的工作寿命与其他正极材料相当甚至超越，例如锰基（Manganese-based）材料、三元复合材料（例如铜-锡-锑，Cu-Sn-Sb）等正极材料。

　　电池到工作寿命结束时可能因为性能衰变而降低容量30%之多。诸如车用电池等大型锂离子充电电池最长的充电-放电寿命循环总数当前大约在2000-3000之间。不过日本电气化学工业株式会社认为新型正极材料的寿命甚至还超过了上面的数据。在评估阶段，与新材料电极搭配使用的是一个常见碳基材料负电极。

　　当前，公司正着手向汽车制造商、电子元件制造商和电力相关企业提供新型正极材料，从而对新材料的性能开展评估。