中國儲能網(wǎng)訊：有機(jī)化合物備受期待
雖然著眼于2030年的新一代電池研究相關(guān)的話題比較多，但旨在提高目前的鋰離子充電電池性能的研究開發(fā)勢頭也絲毫沒有減退。
目前的鋰離子充電電池正極材料采用鈷酸鋰（LiCoO2）、3元系（LiNiMnCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）等（圖12）。不過，這些正極材料的理論容量都在200mAh/g以下。因此，探索容量在200mAh/g以上的新材料，以及為將最大性能提高到理論容量值而在正極材料中添加添加物的開發(fā)日益活躍。
圖12：多樣化的正極材料
在本屆電池研討會上，關(guān)于有機(jī)化合物和固溶體類材料等正極材料的發(fā)表有很多。
容量最大提高到1000mAh/g
在通過采用新材料實現(xiàn)200mAh/g以上鋰離子充電電池的候補技術(shù)中，關(guān)注度最高的是有機(jī)充電電池。正極采用有機(jī)化合物的有機(jī)充電電池的理論容量最大可達(dá)到近1000mAh/g。而且不使用重金屬。因此具備重量輕，資源限制少的優(yōu)勢。
不過，有機(jī)充電電池雖然單位重量的能量密度高，但單位體積的能量密度卻比較低。而且，鋰電位大多只有2～3.5V。因此，要想實現(xiàn)與目前的鋰離子充電電池相同的能量密度，至少要找到具備400～600mAh/g容量的有機(jī)化合物。
村田制作所計劃有機(jī)化合物“采用紅氨酸，力爭2020年前后實現(xiàn)業(yè)務(wù)化”（該公司）。紅氨酸如果發(fā)生四電子反應(yīng)，就能實現(xiàn)890mAh/g的理論容量。在本屆電池研討會上，作為本田技術(shù)研究所與日本Carlit的共同研究成果，展示了正極材料采用紅氨酸的半電池單元的充放電特性（圖13）注7）。初次放電時的容量為750mAh/g，第二次以后穩(wěn)定在650mAh/g。反復(fù)充放電100次后也保持了430mAh/g的比容量。
圖13：利用有機(jī)化合物實現(xiàn)高容量化
有機(jī)化合物與現(xiàn)行的材料相比可提高正極的比容量。村田制作所將紅氨酸定位為主要候補，已確認(rèn)可將容量密度提高到650mAh/g左右。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)村田制作所的資料制作）
注7） 村田制作所與、本田技術(shù)研究所和日本Carlit以“正極活性物質(zhì)采用紅氨酸的高能量密度充電電池”為題發(fā)表了演講［演講序號：3E18］。
松下也是致力于有機(jī)充電電池開發(fā)的企業(yè)之一。該公司大幅改善了有機(jī)充電電池的課題——充放電循環(huán)特性注8）。松下發(fā)布的成果是，將擁有四硫富瓦烯（TTF）構(gòu)造的聚合物材料（TTF聚合物）用作正極活性物質(zhì)，反復(fù)充放電3萬次后仍維持了58％的放電容量?！巴ㄟ^提高共聚比率，構(gòu)造穩(wěn)定，提高了循環(huán)特性”（該公司）。
注8） 松下以“具備四硫富瓦烯的聚合物正極活性物質(zhì)的電氣化學(xué)特性”為題發(fā)表了演講［演講序號：3E16］
雖然試制電池的放電容量只有114mAh/g，作為有機(jī)充電電池比較低，不過某電池相關(guān)人士吃驚地表示，“（松下的）成果證明，如果抑制電解液的溶解，有機(jī)充電電池也能實現(xiàn)出色的充放電循環(huán)壽命”。
除此之外，松下還與京都大學(xué)的吉田研究室共同進(jìn)行了開發(fā)。在電池研討會結(jié)束后的2012年11月19日，發(fā)布了支持30C高速充放電的有機(jī)充電電池（圖14）。采用連接兩個酮形成環(huán)狀構(gòu)造的環(huán)狀1,2─二酮。酮由碳和氧構(gòu)成，因此無需擔(dān)心資源短缺，還能降低成本。通過將酮形成環(huán)狀實現(xiàn)了穩(wěn)定化。試制電池的容量為231mAh/g，充放電500次后仍保持了83％的容量。
圖14：可高速充放電的有機(jī)充電電池
京都大學(xué)和松下開發(fā)出了正極材料采用將兩個酮連接形成環(huán)狀構(gòu)造的環(huán)狀1,2-二酮的有機(jī)充電電池（a）。支持30C的高速充放電（b）。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)京都大學(xué)的資料制作）
固溶體類正極材料改善容量降低現(xiàn)象
通過采用目前主流的鋰氧化物而非有機(jī)化合物的正極材料實現(xiàn)250mAh/g以上的比容量，而且電壓可提高到5V左右的固溶體類正極材料（Li2MnO3-LiMO2）的發(fā)表件數(shù)也急劇增加。該材料在充電前為鋰層與錳等過渡金屬層各自分開的層狀構(gòu)造，進(jìn)行初期充電后，過渡金屬向鋰層內(nèi)移動，變?yōu)榧饩瘶?gòu)造。關(guān)于高容量的發(fā)現(xiàn)，除了錳等的氧化還原反應(yīng)外，還發(fā)現(xiàn)了氧相關(guān)的電荷補償。
不過，將充電電壓提高到理論值以上容量的4.8V左右后，存在反復(fù)充放電時容量大幅降低的課題。針對該課題，日產(chǎn)汽車等的研發(fā)小組宣布，通過分階段提高充電電壓并同時實施電化學(xué)預(yù)處理，經(jīng)過幾十次充放電循環(huán)后仍可維持250mhA/g的容量。
在本屆電池研討會上，神奈川大學(xué)和日產(chǎn)汽車的研發(fā)小組除電化學(xué)預(yù)處理外，還公布了氧化物表面修飾的效果。比如，通過采用Al2O3進(jìn)行表面修飾，改善了50℃以上高溫下的充放電循環(huán)特性注9）。50℃時未加修飾的樣品在充放電25次后，容量維持率降到了83％。而進(jìn)行了表面修飾的樣品充放電40次后容量維持率仍為90％左右。（未完待續(xù)，記者：久米 秀尚、狩集 浩志，《日經(jīng)電子》）
