索尼新型锂电池采用锡类负极材料使容量增加25%.doc

索尼新型锂电池采用锡类负极材料使容量增加25%
 
此次的设计人员,索尼Energy Device的井上弘(右)、桥本史子(中)、畑真次(左)
索尼2011年7月宣布,将采用锡(Sn)类负极材料来提高锂离子充电电池的容量。此次开发的是“18650”尺寸(直径18mm×高65mm)的电池单元,。,容量大幅增加了25%(图1)。体积能量密度为723Wh/L。,重量能量密度为226Wh/kg。。预定2011年内开始供货。
图1:通过采用Sn负极使容量增加25%
索尼开发出了通过采用Sn类负极材料使单元容量比原来提高25%的锂离子充电电池“Nexelion”(a)。此前一直通过采用石墨负极材料来增加容量,但最近以来容量增加率放缓。Sn具有远远大于普通负极材料石墨的理论容量(b)。(图(a)由《日经电子》根据索尼的资料绘制)
其实,此次并不是索尼首次使负极采用Sn的锂离子充电电池实现产品化。该公司已从2005年开始面向摄像机销售直径14mm×高43mm的“14430”尺寸电池单元。此次将面向笔记本电脑量产比14430大一圈的18650尺寸产品。
实现Sn类材料的非晶化
,“只能改变负极材料”(索尼Energy Device LI第1事业部门商品设计1部统括部长井上弘)。索尼曾于1997年前后通过将负极材料由原来的低结晶性碳(硬碳)改为石墨提高了容量。
之后则主要通过改进正极材料,,但最近以来的容量增加率却在不断降低。于是,索尼时隔约14年再次决定更改18650单元的负极材料,采用了Sn类材料。
Sn和硅(Si)与目前的主流负极材料石墨相比,具有近10倍的理论容量。但充放电时负极的膨张和收缩会破坏晶体构造,因此充放电周期寿命较短。此次索尼通过Sn类材料的非晶化解决了这一问题(图2)。该公司通过在纳米级别上使Sn、钴(Co)及碳等多种元素实现非晶化,抑制了充放电时粒子的形状变化,从而提高了电池单元的充放电周期寿命。
图2:Sn类非晶材料Co-Sn超微粒子的构造
新型锂离子充电电池的负极材料构造为碳相中分布着由Co-Sn合金构成的超微粒子。Co与碳形成碳化物并结合在一起。(图由《日经电子》根据索尼的资料绘制)
高容量也可确保安全性
此次开发的锂离子充电电池还改进了正极与隔膜。将正极材料由可兼顾容量与安全性的三元类(Li(Ni-Co-Mn)O2)材料改成了钴酸锂(LiCoO2)。LiCoO2的Co材料价格较高,而且热稳定性处于劣势,所以正极材料一直在向三元类转变,但索尼却逆潮流而上,采用了容量更高的LiCoO2。
LiCoO2会在出现内部短路等异常时温度升高,这种情况下会产生氧,氧与有机电解液发生反应后可能会燃烧。因此,索尼在LiCoO2粒子表面“~1μm厚覆膜处理”(井上)。据该公司介绍,这种方法可降低氧与有机电解液的反应。
隔膜方面,为了防止发生内部短路,在聚烯烃微多孔膜的两面形成了数μm厚的金属氧化物陶瓷层(图3)。陶瓷层具备三维构造,直径不到1μm的金属氧化物粒子与作为粘合剂的树脂呈网眼状连接在一起。发生异常时,柔软性与粘合性较高的树脂网可使绝缘