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日本高校合成摻錳鈮酸鋰 能量密度有望達(dá)6倍

作者:中國儲能網(wǎng)新聞中心 來源:日經(jīng)技術(shù)在線 發(fā)布時間:2016-01-18 瀏覽:

中國儲能網(wǎng)訊: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(zhì)量能量密度提高到“LEAF”(聆風(fēng))等現(xiàn)有EV用LIB的6倍以上的新型候補(bǔ)正極材料已經(jīng)問世,那就是日本東京電機(jī)大學(xué)工學(xué)系環(huán)境化學(xué)科副教授藪內(nèi)直明領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)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(jié)構(gòu)如右圖,是巖鹽型(NaCl型)結(jié)構(gòu)氧化物。

圖:日本東京電機(jī)大學(xué)成功合成的新正極材料

從化學(xué)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(xiàn)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,屬于巖鹽型(NaCl型)結(jié)構(gòu)(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(jī)插入過渡金屬錳原子、或過渡金屬鈮原子、或鋰原子的結(jié)構(gòu)。

其實,具有這種結(jié)構(gòu)的氧化物本來是無法可逆地去掉鋰原子的。但是,美國馬薩諸塞工科大學(xué)近年的研究發(fā)現(xiàn),如果提高鋰相對于過渡金屬的組成比,就能解決這個問題。此次,藪內(nèi)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,并且晶體結(jié)構(gòu)中有三維骨架。因此,即使插入或去掉大量的鋰,結(jié)構(gòu)也難以崩潰。據(jù)藪內(nèi)介紹,“初次充電,可去掉大約9成的鋰。并且,其中8成可通過放電可逆性恢復(fù)”。

新材料的平均電壓在鋰金屬基準(zhǔn)下為3V以上。負(fù)極采用鋰金屬、電解質(zhì)的鋰鹽采用六氟化磷酸鋰、電解質(zhì)的溶劑采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(zhì)量能量密度高達(dá)950Wh/kg。這是質(zhì)量能量密度為100~150Wh/kg的現(xiàn)行EV用LIB的6倍以上。循環(huán)特性方面,目前只實施了充放電20次的測試,但“在電壓范圍為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(nèi))。因此,成本“可以比鈷酸鋰低”。

該技術(shù)的實用化目標(biāo)時間是5年后。最初瞄準(zhǔn)的應(yīng)用是便攜式電子產(chǎn)品。今后還將研究熱穩(wěn)定性,并提高作為電池材料的完成度。面向?qū)嵱没_立量產(chǎn)技術(shù)也將是一大課題。

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