大阪钛业量产锂离子电池负极材料一氧化硅

大阪钛业科技公司已开始量产销售作为锂离子充电电池高容量负极材料的一氧化硅(SiO)。该公司2012年开发出了负极材料用SiO，同年八月建成试产厂，开始向部分用户样品供货。

大阪钛业科技认为智能手机和平板电脑等便携终端用锂离子充电电池将进一步高容量化，因此决定开展业务。

便携终端用锂离子充电电池的负极材料目前使用石墨，石墨的理论容量为372mAh/g，目前实际已达到360mAh/g左右，基本接近极限。作为新一代负极材料，硅和硅合金等硅材料的使用备受期待，不过硅材料充放电时的膨胀和收缩严重，寿命是一大课题。

大阪钛业科技的负极材料的特点在于，采用了保持非晶构造的SiO。SiO本身没有导电性，所以通过化学气相沉积(CVD)法在SiO粒子周围形成了碳涂层(图1)。

大阪钛业科技公司的负极材料用碳膜(碳涂层)包覆了非晶构造的SiO粒子(a)。通过保持非晶构造，充放电时不容易出现局部膨胀和收缩(b)。(图由《日经电子》根据大阪钛业科技公司的资料制作)

假如利用具有结晶性的SiO，充电时结晶部分会集中出现锂化合物，随着充放电的进行，会局部出现膨胀和收缩，从而破坏粒子。而该公司的SiO没有结晶序列，所以粒子内部很难出现局部膨胀和收缩，能实现长寿命化。

该公司的SiO负极容量为1700～1800mAh/g，是石墨的约5倍(图2)。电池厂商和外部机构已经执行了评测，由日本产业技术综合研究所执行的试验显示，充放电循环特性和温度特性均获得了良好的结果。

图2：可实现石墨5倍的容量

SiO与石墨相比，负极容量可扩大至5倍。(图由《日经电子》根据大阪钛业科技公司的资料制作)

日本产业技术综合研究所利用正极材料组合使用磷酸铁锂(LiFePO4)的电池单元执行了多种试验(图3)。结果显示，在60℃的环境下，10C(6分钟充电/6分钟放电)的充放电循环特性在循环2700次后与循环100次后相比，保持了97.5%的容量。温度特性方面，可在-30℃～120℃之间利用，-30℃下也能放电58%以上的容量。

●图3：寿命和温度特性也很出色

日本产业技术综合研究所对采用大阪钛业科技负极材料的电池单元执行了评测。正极材料组合使用LiFePO4的电池单元在充放电循环2700次后的容量维持率与循环100次后相比，获得了97.5%的出色结果(a)。温度特性方面，可在-30℃～120℃的范围内利用(b)。(图由《日经电子》根据产业技术综合研究所的资料制作)

还存在电压降低和库仑效率的课题

SiO虽然显示出了良好的结果，但用于便携终端等还存在两大课题。第一，要想采用硅负极扩大容量，要扩大电池的使用电压范围。为此，便携终端用电池的终止电压要降低0.5V左右，便携终端一侧的各电子部件的驱动电压要进行相应调整。

第二，初始充放电效率低，石墨为90%以上，而SiO还不到80%。因为SiO在初次充电时，负极形成锂化合物，从而会导致出现大量与充放电无关的锂。作为解决对策，一般采用通过正极材料的锂氧化物补偿锂的方法，但正极材料的容量只有SiO的1/10，所以形成电池时，正极电极会比负极厚很多。

当然也可以考虑像锂离子电容器那样提前在负极放入锂箔的预掺杂等方法，不过电池厂商需导入新的制造工序，成本负担较大。虽然存在这些课题，但要求解决便携终端电池待机时间短这一课题的消费者呼声高涨，为扩大电池容量，电池厂商已开始考虑采用SiO。