支持快速充電的鋰電池技術

1、支持快速充電的鋰電池技術前文中CHIP已經(jīng)提及，鈦酸鋰電池技術和磷酸鐵鋰電池技術是可以支持快速充電的鋰電池技術。目前這兩種技術已經(jīng)商業(yè)化，它們有哪些特征和優(yōu)缺點呢？鈦酸鋰電池技術用于鋰離子電池的鈦酸鋰是尖晶石晶型的鈦酸鋰，分子式為Li4Ti5O12。尖晶石型鈦酸鋰的晶體結構在鋰離子的嵌入-脫嵌過程中都能夠保持穩(wěn)定，鋰離子嵌入前后都為尖晶石結構，且晶格常數(shù)變化很小，體積變化也小于1%,所以Li4Ti5O12被稱為“零應變”電極材料。與目前占有較大市場份額的碳負極材料相比，Li4Ti5O12平衡電位較高，避免了金屬鋰的沉積，并且其平臺容量超過總容量的85%,充電結束時電位迅速上升，這一特征可用于指

2、示終止充電，避免了過充電帶來的危險，因此其安全性比碳負極材料高。此外，Li4Ti5O12的化學擴散系數(shù)比碳負極材料大一個數(shù)量級，充放電速度很快，同時，Li4Ti5O12還具有抗過充性好、熱穩(wěn)定性好和安全性好等優(yōu)點，這是電動汽車等領域所需求的特性。鈦酸鋰電池的缺點是其容量不如碳負極材料的普通高容量鋰離子電池，但這些不足可通過對電極材料、隔膜等進行改性來進一步改良。Li4Ti5O12電極還具有大電流充放電性能，作為負極材料可以與LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2和碳材料等組成鋰離子蓄電池、全固態(tài)電池和混合型超級電容器。在鈦酸鋰電池研發(fā)方面值得一提的是東芝公司。該公司早在數(shù)年前就致力于這一技

3、術的開發(fā)，并成功地推出了SCiB系列鋰離子電池，除了鈦酸鋰負極材料外，它還使用了新的電解液、隔膜材料和制造技術。到2009年，這種電池已經(jīng)達到15萬塊/月的產(chǎn)量，用于工具、電動交通工具并有希望運用在筆記本電腦和數(shù)碼產(chǎn)品中。目前，東芝已經(jīng)宣布在新瀉縣柏崎市建設一座全新的電池工廠，該工廠將于今年10月竣工，2011年春季投入生產(chǎn)。最初的生產(chǎn)能力為每月50萬塊用于電動汽車的SCiB電池,未來產(chǎn)量將逐步擴大。這種電池的功率可以達到3.9千瓦，可重復使用10000次以上。東芝希望到2016年左右，SCiB電池的銷售額可以達到1000億日元，但隨著目前電動力車的蓬勃發(fā)展，屆時這一目標可望超額完成。磷酸鐵鋰

4、電池磷酸鐵鋰電池是目前呼聲最高的電動車動力鋰電池之一。1997年，JohnB.Goodenough教授首次發(fā)現(xiàn)橄欖石晶型的磷酸鐵鋰（LiFePO4）的可逆嵌鋰-脫鋰特性，并開始研究它作為鋰電池正極材料的用途。近幾年來，在磷酸鐵鋰電池的研究方面取得了多項重要進展，使磷酸鐵鋰電池迅速達到了實用化的水平。刃中-tr/p展示中的SCiB電池。LiFeP04為橄欖石結構，屬于正交晶系（Pnmb空間群）。LiFeP04充電時發(fā)生氧化反應，鋰離子從FeO6層面間遷移出來，經(jīng)過電解液進入負極，電子則經(jīng)外電路到達負極，鐵從Fe2+變成Fe3+,發(fā)生氧化反應；放電時與上述過程相反，發(fā)生還原反應。LiFeP04完全

5、脫鋰后的產(chǎn)物為FeP04,在實際充放電過程中FePO4/LiFePO4處于兩相共存狀態(tài)。FeP04與LiFeP04的空間結構相似，二者體積接近，因此在充放電過程中LiFeP04正極的結構變化很小，避免了結構變化甚至崩塌造成的容量衰減。同時，嵌脫過程中較小的體積變化還可以有效緩解碳負極在充電過程中的體積效應，減小應力。這些特點使得LiFeP04具有優(yōu)良的循環(huán)性能和安全性。LiFeP04的理論比容量為170mAh/g,實際比容量可以接近甚至達到理論值。此外，它綠色無污染，耐溫性能好，早期在研究中發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰材料的倍率性能不好，這是因為磷酸鐵鋰的晶體結構使得鋰離子的遷移僅能沿著010晶面的方向一維

6、傳導。此外，磷酸鐵鋰的電子電導率也很低。通過對磷酸鐵鋰晶體進行改性，比如使用高價的金屬離子摻雜，或是在磷酸鐵鋰表面生成快速的鋰離子通道，都可以實現(xiàn)倍率性能的提高，從而令磷酸鐵鋰電池可以快速充/放電，滿足電動汽車的動力需求。目前第一個方法已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，第二個方法則不時取得令人驚訝的突破性成果。比如在2009年3月，麻省理工的Ceder等在Nature上撰文聲稱，他們通過控制化學計量比制備了具有快Li+導體表面相的LiFeP04，該材料擁有極其優(yōu)異的倍率性能：可以在10s20s內完成放電，2倍（2C）標準放電電流速度下，放電密度為166mAh/g,50C（72s）電流密度下可以放電136mAh/

7、g（相當于理論值的80%）,400C（9s）電流密度下仍可放電60mAh/g。若以該材料制備電池，電池的功率密度可以達到25kW/L（400C），與超級電容器相當甚至更高，而其能量密度則比超級電容器高12個數(shù)量級。Ceder等認為，電解質和LiFePO4正極之間的Li+交換可以在LiFePO4顆粒表面的任意處進行，而Li+在LiFePO4體相內的傳輸則是按一維通道（010方向）進行的，所以從晶體表面到010面的擴散速率至關重要。而該材料表面形成的無定形的Li+良導體層，變相彌補了LiFePO4材料各向異性的不足，提高了從晶體表面到010面的Li+傳輸。這種材料如果制成電池，將是革命性的鋰電池產(chǎn)

8、品。Ceder等報道的磷酸鐵鋰材料的掃描電鏡和透射電鏡照片，前者尺度為500nm,后者為5nm。結束語像燃油車一樣使用方便是電動汽車的發(fā)展目標，隨著快速充電技術的進步，這一目標已經(jīng)接近實現(xiàn)。此外，快速充電電池還能用于筆記本電腦、手機和數(shù)碼產(chǎn)品，為人們的生活帶來便利。附：綠色汽車普及的障礙2010年上海世博會也是綠色技術的大舞臺，除了太陽能電池、廢熱利用等技術，綠色的園區(qū)交通工具也成為游客矚目的熱點。在上海世博會上投入應用的綠色（電動）汽車達到1017輛，按照能量儲存方式大體可分為四類，使用蓄電池的電動汽車、使用超級電容的電動汽車、使用燃料電池的電動汽車，這些汽車和混合動力汽車一起，成為未來綠色

9、汽車的解決方案。目前，這些綠色汽車都存在不足之處，蓄電池中，鋰電池價格昂貴，僅電池組的成本就占到整車成本的1/2以上；鎳氫電池除了價格因素外，重量也較大；傳統(tǒng)的鉛酸電池則在體積、重量和綠色程度上都不占優(yōu)勢。超級電容雖然充電快捷迅速，放電能量高，但能量密度較低，在大巴士等體積較大的汽車中使用沒有什么問題，但用于小轎車則嫌過于龐大。燃料電池主要的問題則在于氫的制造、儲存和運輸成本都很高，而氫和甲醇的危險性則比汽油和柴油大得多?；旌蟿恿ζ噭t要安裝兩套系統(tǒng)，成本較高，但仍是不錯的過渡性方案。根據(jù)新聞報道，用于世博園區(qū)的蓄電池型大巴一次充電可以開行80公里左右，為了滿足運行需要，每天要更換3次蓄電池組。用于園區(qū)運行時，這樣的方案可以接受，但作為家庭轎車的動力，電池的續(xù)航里程應該足夠長。同時，充電的時間也要足夠短，最好在15分鐘左右完成。目前從成本和續(xù)航力兩項來看，電動汽車似乎可以滿足要求，我國在今年6月則公布了個人購買新能源汽車的補貼政策，純電動汽