日本高校合成摻錳鈮酸鋰 能量密度有望達6倍

2021-01-20 OFweek維科網

　　純電動汽車(EV)向鋰離子電池(LIB)提出了提高能量密度的要求。有可能將鋰離子電池的質量能量密度提高到「LEAF」(聆風)等現有EV用LIB的6倍以上的新型候補正極材料已經問世，那就是日本東京電機大學工學系環境化學科副教授藪內直明領導的研發小組成功合成的摻錳鈮酸鋰(Li1.3 Mn0.4 Nb0.3O2)(圖)。

　　左圖為合成的摻錳鈮酸鋰，其結構如右圖，是巖鹽型(NaCl型)結構氧化物。

圖：日本東京電機大學成功合成的新正極材料

　　從化學式也可以看出，摻錳鈮酸鋰是將鈮酸鋰(Li1.5Nb0.5O2)的部分鈮(Nb)和鋰(Li)置換成錳(Mn)而實現的材料。跟一般用作LIB正極材料的鈷酸鋰、錳酸鋰及三元材料等一樣，屬於巖鹽型(NaCl型)結構(面立方晶格)。但摻錳鈮酸鋰與這些材料的不同之處是，其鋰(Li)原子的排列不成層狀。是在NaCl的氯原子位置插入氧原子、在鈉原子位置隨機插入過渡金屬錳原子、或過渡金屬鈮原子、或鋰原子的結構。

　　其實，具有這種結構的氧化物本來是無法可逆地去掉鋰原子的。但是，美國麻薩諸塞工科大學近年的研究發現，如果提高鋰相對於過渡金屬的組成比，就能解決這個問題。此次，藪內等人成功合成的摻錳鈮酸鋰中，過渡金屬(Mn和Nb)與鋰的組成比為0.7：1.3。通過將鋰的比例提高到如此之高，就可以插入或去掉鋰。

　　這樣一來，在同樣1摩爾的氧化物中，新材料含有比普通層狀巖鹽型正極材料更多的鋰，並且晶體結構中有三維骨架。因此，即使插入或去掉大量的鋰，結構也難以崩潰。據藪內介紹，「初次充電，可去掉大約9成的鋰。並且，其中8成可通過放電可逆性恢復」。

　　新材料的平均電壓在鋰金屬基準下為3V以上。負極採用鋰金屬、電解質的鋰鹽採用六氟化磷酸鋰、電解質的溶劑採用碳酸二乙酯和碳酸二甲酯時，在電流密度為10mA/g的條件下的質量能量密度高達950Wh/kg。這是質量能量密度為100～150Wh/kg的現行EV用LIB的6倍以上。循環特性方面，目前只實施了充放電20次的測試，但「在電壓範圍為1.5～4.2V、電流密度為25mA/g的條件下，容量基本沒有劣化」(藪內)。因此，成本「可以比鈷酸鋰低」。

　　該技術的實用化目標時間是5年後。最初瞄準的應用是可攜式電子產品。今後還將研究熱穩定性，並提高作為電池材料的完成度。面向實用化確立量產技術也將是一大課題。

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