雖然著眼于2030年的新一代電池研究相關(guān)的話題比較多，但旨在提高目前的鋰離子充電電池性能的研究開發(fā)勢(shì)頭也絲毫沒(méi)有減退。

目前的鋰離子充電電池正極材料采用鈷酸鋰（LiCoO2）、3元系（LiNiMnCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）等（圖12）。不過(guò)，這些正極材料的理論容量都在200mAh/g以下。因此，探索容量在200mAh/g以上的新材料，以及為將最大性能提高到理論容量值而在正極材料中添加添加物的開發(fā)日益活躍。

圖12：多樣化的正極材料在本屆電池研討會(huì)上，關(guān)于有機(jī)化合物和固溶體類材料等正極材料的發(fā)表有很多。

容量最大提高到1000mAh/g

在通過(guò)采用新材料實(shí)現(xiàn)200mAh/g以上鋰離子充電電池的候補(bǔ)技術(shù)中，關(guān)注度最高的是有機(jī)充電電池。正極采用有機(jī)化合物的有機(jī)充電電池的理論容量最大可達(dá)到近1000mAh/g。而且不使用重金屬，因此具備重量輕，資源限制少的優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)，有機(jī)充電電池雖然單位重量的能量密度高，但單位體積的能量密度卻比較低。而且，鋰電位大多只有2～3.5V。因此，要想實(shí)現(xiàn)與目前的鋰離子充電電池相同的能量密度，至少要找到具備400～600mAh/g容量的有機(jī)化合物。

村田制作所稱，計(jì)劃對(duì)有機(jī)化合物“采用紅氨酸，力爭(zhēng)2020年前后實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化”。紅氨酸如果發(fā)生四電子反應(yīng)，就能實(shí)現(xiàn)890mAh/g的理論容量。在本屆電池研討會(huì)上，作為本田技術(shù)研究所與日本Carlit公司的共同研究成果，展示了正極材料采用紅氨酸的半電池單元的充放電特性（圖13）。初次放電時(shí)的容量為750mAh/g，第二次以后穩(wěn)定在650mAh/g。反復(fù)充放電100次后也保持了430mAh/g的比容量。

圖13：利用有機(jī)化合物實(shí)現(xiàn)高容量化有機(jī)化合物與現(xiàn)行的材料相比可提高正極的比容量。村田制作所將紅氨酸定位為主要候補(bǔ)，已確認(rèn)可將容量密度提高到650mAh/g左右。

松下公司也是致力于有機(jī)充電電池開發(fā)的企業(yè)之一。該公司大幅改善了有機(jī)充電電池的課題——充放電循環(huán)特性。松下發(fā)布的成果是，將擁有四硫富瓦烯（TTF）構(gòu)造的聚合物材料（TTF聚合物）用作正極活性物質(zhì)，反復(fù)充放電3萬(wàn)次后仍維持了58％的放電容量。松下稱：“通過(guò)提高共聚比率，構(gòu)造穩(wěn)定，提高了循環(huán)特性�！�

雖然試制電池的放電容量只有114mAh/g，作為有機(jī)充電電池比較低，不過(guò)某電池相關(guān)人士吃驚地表示：“（松下的）成果證明，如果抑制電解液的溶解，有機(jī)充電電池也能實(shí)現(xiàn)出色的充放電循環(huán)壽命。”

除此之外，松下還與京都大學(xué)的吉田研究室共同進(jìn)行了開發(fā)。在電池研討會(huì)結(jié)束后的2012年11月19日，發(fā)布了支持30C高速充放電的有機(jī)充電電池（圖14）。采用連接兩個(gè)酮形成環(huán)狀構(gòu)造的環(huán)狀1,2─二酮。酮由碳和氧構(gòu)成，因此無(wú)需擔(dān)心資源短缺，還能降低成本。通過(guò)將酮形成環(huán)狀實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定化。試制電池的容量為231mAh/g，充放電500次后仍保持了83％的容量。

圖14：可高速充放電的有機(jī)充電電池 京都大學(xué)和松下開發(fā)出了正極材料采用將兩個(gè)酮連接形成環(huán)狀構(gòu)造的環(huán)狀1,2-二酮的有機(jī)充電電池（a）。支持30C的高速充放電（b）。

固溶體類正極材料改善容量降低現(xiàn)象

通過(guò)采用目前主流的鋰氧化物而非有機(jī)化合物的正極材料實(shí)現(xiàn)250mAh/g以上的比容量，而且電壓可提高到5V左右的固溶體類正極材料（Li2MnO3-LiMO2）的發(fā)表件數(shù)也急劇增加。該材料在充電前為鋰層與錳等過(guò)渡金屬層各自分開的層狀構(gòu)造，進(jìn)行初期充電后，過(guò)渡金屬向鋰層內(nèi)移動(dòng)，變?yōu)榧饩�石�?gòu)造。關(guān)于高容量的發(fā)現(xiàn)，除了錳等的氧化還原反應(yīng)外，還發(fā)現(xiàn)了氧相關(guān)的電荷補(bǔ)償。

不過(guò)，將充電電壓提高到理論值以上容量的4.8V左右后，存在反復(fù)充放電時(shí)容量大幅降低的課題。針對(duì)該課題，日產(chǎn)汽車公司等的研發(fā)小組宣布，通過(guò)分階段提高充電電壓并同時(shí)實(shí)施電化學(xué)預(yù)處理，經(jīng)過(guò)幾十次充放電循環(huán)后仍可維持250mhA/g的容量。

在本屆電池研討會(huì)上，神奈川大學(xué)和日產(chǎn)汽車的研發(fā)小組除電化學(xué)預(yù)處理外，還公布了氧化物表面修飾的效果。比如，通過(guò)采用Al2O3進(jìn)行表面修飾，改善了50℃以上高溫下的充放電循環(huán)特性。50℃時(shí)未加修飾的樣品在充放電25次后，容量維持率降到了83％。而進(jìn)行了表面修飾的樣品充放電40次后容量維持率仍為90％左右。

電壓化將能量密度提高至200Wh/kg以上

在推進(jìn)固溶體類正極材料基礎(chǔ)研究的過(guò)程中，作為更接近實(shí)用水平的5V正極材料開發(fā)的是鎳錳（Ni-Mn）類鋰氧化物。雖然本屆電池研討會(huì)沒(méi)有發(fā)表相關(guān)內(nèi)容，不過(guò)在2012年10月舉行的電氣化學(xué)相關(guān)國(guó)際學(xué)會(huì)“PRiME2012”上，NEC采用將尖晶石型錳酸鋰（LiMn2O4）的一部分換成鎳的Li（Ni0.5Mn1.5）O4試制了單元并進(jìn)行了發(fā)表。

與原來(lái)的LiMn2O4相比電壓可提高0.7V左右，因此單元的能量密度可由原來(lái)的約150Wh/kg提高約30％達(dá)到200Wh/kg以上。

NEC除正極材料外，還新開發(fā)了耐高電壓的含氟溶劑，抑制了在正極材料和電解液的界面產(chǎn)生的氧化分解。在組合使用Li（Ni0.5Mn1.54和石墨的單元試驗(yàn)中，在20℃的溫度下進(jìn)行500次充放電循環(huán)試驗(yàn)后，可維持初期容量的約80％。另外，在45℃的高溫下進(jìn)行相同的試驗(yàn)后，確保了約60％的容量維持率。

另一方面，富士重工業(yè)公司著眼于組合使用Li（Ni0.5Mn1.54和石墨的單元在初期充電時(shí)的不可逆容量的抑制。該公司以前就利用預(yù)摻雜鋰離子電容器等采用的鋰的技術(shù)。以前的預(yù)摻雜技術(shù)是在負(fù)極封裝鋰箔，鋰箔與石墨的電位差較小，摻雜需要較長(zhǎng)時(shí)間。

因此，富士重工業(yè)開發(fā)出了采用Li（Ni0.5Mn1.54時(shí)在正極側(cè)封裝鋰箔，并預(yù)摻雜鋰的技術(shù)。Li（Ni0.5Mn1.54的鎳側(cè)有鋰，而錳側(cè)無(wú)鋰，利用鎳側(cè)與錳側(cè)約2V的電位差可從正極側(cè)摻雜鋰。

比較進(jìn)行了預(yù)摻雜和未進(jìn)行預(yù)摻雜的單元初期充放電容量發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行預(yù)摻雜后抵消了負(fù)極的不可逆容量，比容量提高27％（圖15）。

圖15：從正極預(yù)摻雜鋰 富士重工業(yè)開發(fā)出了從正極預(yù)摻雜鋰的技術(shù)�？梢苑乐关�(fù)極石墨的不可逆容量造成的容量降低。

此外，富士重工還與日本化學(xué)工業(yè)公司共同發(fā)表了將磷酸釩鋰（Li3V2（PO4）3：以下稱LVP）與高容量NCA（Li（Ni-Co-Al）O2）混合的LVP-NCA類正極材料。

富士重工采用將LVP與NCA按重量比3：7混合的正極試制了17Ah的層壓型單元（圖16）。能量密度為190Wh/kg（373Wh/L），平均電壓為3.64V，與僅采用NCA正極試制的單元具備基本相同的性能，同時(shí)大幅提高了輸出特性。SOC較低時(shí)的輸出特性尤為出色。富士重工表示，通過(guò)改變混合比例，有望達(dá)到期望的輸出特性。

圖16：混合LVP提高NCA類正極材料的特性

富士重工通過(guò)在NCA類正極材料中混合LVP，提高了輸入輸出特性。

圖16：混合LVP提高NCA類正極材料的特性 富士重工通過(guò)在NCA類正極材料中混合LVP，提高了輸入輸出特性。

充放電循環(huán)特性方面，循環(huán)5000次后的容量維持率為L(zhǎng)VP-NCA類70％，NCA類63％，通過(guò)混合LVP提高了壽命特性。（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）