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日本高校合成掺锰铌酸锂 能量密度有望达6倍

导读: 纯电动汽车向锂离子电池提出了提高能量密度的要求。有可能将锂离子电池的质量能量密度提高到“LEAF”(聆风)等现有EV用LIB的6倍以上的新型候补正极材料已经问世,那就是日本东京电机大学工学系环境化学科副教授薮内直明领导的研发小组成功合成的掺锰铌酸锂。

  纯电动汽车(EV)向锂离子电池(LIB)提出了提高能量密度的要求。有可能将锂离子电池的质量能量密度提高到“LEAF”(聆风)等现有EV用LIB的6倍以上的新型候补正极材料已经问世,那就是日本东京电机大学工学系环境化学科副教授薮内直明领导的研发小组成功合成的掺锰铌酸锂(Li1.3 Mn0.4 Nb0.3O2)(图)。

  左图为合成的掺锰铌酸锂,其结构如右图,是岩盐型(NaCl型)结构氧化物。

日本高校合成掺锰铌酸锂 能量密度有望达6倍

图:日本东京电机大学成功合成的新正极材料

  从化学式也可以看出,掺锰铌酸锂是将铌酸锂(Li1.5Nb0.5O2)的部分铌(Nb)和锂(Li)置换成锰(Mn)而实现的材料。跟一般用作LIB正极材料的钴酸锂、锰酸锂及三元材料等一样,属于岩盐型(NaCl型)结构(面立方晶格)。但掺锰铌酸锂与这些材料的不同之处是,其锂(Li)原子的排列不成层状。是在NaCl的氯原子位置插入氧原子、在钠原子位置随机插入过渡金属锰原子、或过渡金属铌原子、或锂原子的结构。

  其实,具有这种结构的氧化物本来是无法可逆地去掉锂原子的。但是,美国马萨诸塞工科大学近年的研究发现,如果提高锂相对于过渡金属的组成比,就能解决这个问题。此次,薮内等人成功合成的掺锰铌酸锂中,过渡金属(Mn和Nb)与锂的组成比为0.7:1.3。通过将锂的比例提高到如此之高,就可以插入或去掉锂。

  这样一来,在同样1摩尔的氧化物中,新材料含有比普通层状岩盐型正极材料更多的锂,并且晶体结构中有三维骨架。因此,即使插入或去掉大量的锂,结构也难以崩溃。据薮内介绍,“初次充电,可去掉大约9成的锂。并且,其中8成可通过放电可逆性恢复”。

  新材料的平均电压在锂金属基准下为3V以上。负极采用锂金属、电解质的锂盐采用六氟化磷酸锂、电解质的溶剂采用碳酸二乙酯和碳酸二甲酯时,在电流密度为10mA/g的条件下的质量能量密度高达950Wh/kg。这是质量能量密度为100~150Wh/kg的现行EV用LIB的6倍以上。循环特性方面,目前只实施了充放电20次的测试,但“在电压范围为1.5~4.2V、电流密度为25mA/g的条件下,容量基本没有劣化”(薮内)。因此,成本“可以比钴酸锂低”。

  该技术的实用化目标时间是5年后。最初瞄准的应用是便携式电子产品。今后还将研究热稳定性,并提高作为电池材料的完成度。面向实用化确立量产技术也将是一大课题。

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