制成低成本高性能锂离子电池

这些新开发的材料具有较高的初始充电和放电容量，约为每克250毫安或更高，性能相当于传统正极材料，但不包含昂贵的稀有金属钴和镍。图2：比较初始充电/放电特性，两种新开发的正极材料（左），充电/放电循环高达20个周期（右）来源：日本先进工业科学和技术研究所

田渊光晴（MitsuharuTabuchi）高级研究员就职于日本国家先进工业科学和技术研究所（AIST：NationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology）通用能源设备研究所（ResearchInstituteforUbiquitousEnergyDevices）离子学研究组（IonicsResearchGroup），他开发出两种新的氧化材料，就是LI1+X（Fe0.3Mn0.7）1-xO2和LI1+X（Fe0.3Mn0.5Ti0.2）1-xO2，可用于锂离子蓄电池正极，合作者有晶体和材料工艺组组长顺治秋元（JunjiAkimoto），田中化工股份有限公司（TanakaChemicalCorporation）技术开发部技术开发5队（TechnologyDevelopmentTeam5）经理今泉纯一（JunichiImaizumi）。在这些新开发的氧化物材料中，整体过渡金属大约有30％是由铁制成，铁是一种低成本的丰富的金属资源。

研究人员制备这些正电极材料，要优化它们的化学成分，采用湿化学方法（wetchemicalmethod），其中包括还原焙烧工艺（reductivecalcinationprocess）。初始循环效率在室温下已大幅提高，达到约80％，通常放电容量值下限为2.0V电压，如左侧图所示；这相当于传统正极材料的性能。

这些新开发的材料，可保证较高的初始充电和放电容量，约为每克250毫安或更高（右侧图）。它们供应的性能相当于传统正极材料，但不含稀有金属，就是钴（cobalt）和镍（nickel）。因此，这种新材料有望节约资源，降低成本，制成锂离子蓄电池，用于电动汽车等。

这项技术的细节在日本第52届电池研讨会（52ndBatterySymposiuminJapan）上公布，会议于2011年十月十七日至二十日在东京江户川区（EdogawaWard）举办。

图1：比较最初的充电和放电特点，两种新开发的正极材料（金属锂用作负极材料；电压范围：2.0V至4.8伏）。来源：日本先进工业科学和技术研究所

室温下的初始周期效率显得尤为重要，有关正极材料而言，效率至少要达到80％，这是商用所要的，传统的正电极电位范围是2.0V至4.8V。研究人员采用新的制造技术，开发出两种类型的正极材料，就是铁锰为基础的材料，和铁锰钛为基础的材料，这样就可以实现更高的容量，更高的初始周期效率，减少周期退化，用于锂离子蓄电池。这项技术可以优化金属元素成分比例和化学成分。

新的制造技术用于优化化学成分。采用湿化学法，就是共沉淀法（co-precipitation）和煅烧法（calcinationmethod），这是传统的制造技术，制备材料可以采用均匀的金属分布，还原焙烧工艺也被采用，其中烧结的粉末采用一种有机化合物，进行低温烧结（400℃）。采用还原焙烧，是为了控制铁离子的价态，使它们只有一种三价状态（trivalentstate）。不同于铁镍锰（FNM）为基础的材料，它含有镍，这种新开发的制造技术是一种较容易的制造方法，在工业水平上，因为它不要水热反应过程，已经形成共沉物。

表1：现有正极材料和以前开发的正极材料，比较最初的充放电特性以及新开发的正极材料成本。来源：日本先进工业科学和技术研究所

图1表明，新开发的正极材料的初始充放电特性，在摄氏30度时具有相同的电位范围（2.0V至4.8伏），与现有正极材料相同（钴和镍替代物是锂锰基氧化物，Li1.2Co0.13Ni0.13Mn0.54O2，以及碳镍锰为基础的材料）。碳镍锰为基础的材料被认为很有前途，是下一代高容量的锂锰氧化物（Li2MnO3）正电极材料。

图1中，初始充电容量通常为100％。这种新开发的铁锰正极材料，充电和放电容量分别是每克297毫安时和每克251毫安时。初始循环效率达到84％。新的铁锰钛材料充电和放电容量分别是294毫安时/克和246毫安时/克。初始循环效率也达到84％。换句话说，铁锰和铁锰钛正极材料都显示了良好的特点。这些正极材料的制备采用传统的方法时，因为这种方法不使用还原焙烧工艺，所以材料的初始周期效率就低（约60％）。因此，可以认为，新的制造方法使用还原焙烧工艺，效果显着，可大幅度提高性能。

图3：充电和放电周期特性，新开发的基于铁锰钛的正极材料在30摄氏度可达到20个循环（碳被用作负极材料，电位范围：1.8V至4.6V）。来源：日本先进工业科学和技术研究所

图2显示充电和放电周期的特点，新开发的正极材料长达20个周期。充放电曲线表明类似的性能，出现于第二个周期到第20周期。高比例的初始放电容量维持在20个周期以后（铁锰材料达到88％，铁锰钛材料达到87％）。基于这两个因素，可以证实，新开发的材料有很大潜力，作为正极材料，可用于锂离子蓄电池。

研究人员要努力实现更高的容量，减少周期退化，提高新开发的材料的充放电性能。与此同时，他们研究千克级的制造技术，目标是到2013年，可供应这些材料，供给工业部门，包括电池制造商。