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本技术介绍参考了以下链接
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2017年09月27日

用于磷酸铁锂充电电池的高压正极材料
不采用稀有金属钴,有利于降低锂离子充电电池的成本

株式会社富士通研究所(注1)(以下简称,富士通研究所)成功开发出了用于磷酸铁锂充电电池的正极材料,这种新材料可提供高电压,过去只有钴基材料才能实现。

开发背景

目前,锂离子电池作为高性能充电电池得到广泛使用,其正极材料一般使用的是稀有金属钴,如“LiCoO2”(钴酸锂)等,但钴的供给不足、成本大幅上升等问题令人担忧。今后,为了解决造成全球变暖的温室气体排放问题,实现不依赖化石能源的低碳社会,EV(电动汽车)的开发和利用将得到进一步扩大,但EV需要大容量的锂离子充电电池,因此人们开始关注地球上大量存在的金属铁,通过用铁替代钴元素开发新的材料。

课题

使用传统铁基材料的锂离子充电电池无法达到与钴基材料电池相当的能量密度。能量密度是容量密度和电压的乘积,因此电压范围在2.8V-3.5V的传统铁基材料无法与电压范围为3.75V-4.1V的钴基材料竞争。正极材料的电压基于晶体结构中的原子排列方式发生变化,这成为研发高电压新型铁基材料时的新课题。

开发的技术

此次,通过分析铁基材料晶体结构与电化学性能之间的关系,富士通研究所发现了能改善铁基材料电压的新要素。基于专有的材料设计技术及精确控制原料组成和材料形成过程的技术,成功设计并合成了新的磷酸铁基材料-焦磷酸铁锂“Li5.33Fe5.33(P2O7)4”,这种材料具有3.8V的电压,与现有的钴基材料电压相当。

该技术的详细信息如下:

  • 1.发现了能够提高铁基正极材料电压的新要素

    铁基正极材料电压的高低很大程度上取决于晶体中铁和氧等原子的排列。富士通研究所通过分析材料的晶体结构和电化学性能之间的关系,发现了能够提高铁基正极材料电压的新要素。具体来说,将晶体结构中铁原子周围的氧原子扭曲排列是造成高电压的要素之一。

  • 2.成功开发出与钴基材料相当的高电压铁基材料

    基于富士通独有的精确控制原料组成和材料形成过程的技术,成功合成了新型磷酸铁基材料-焦磷酸铁锂“Li5.33Fe5.33(P2O7)4”(图1)。富士通研究所基于该材料试制成钮扣电池原型并进行了电化学性能评价,结果显示该原型可以实现与现有钴基材料相当的3.8V电压(图3)。它比传统的以磷酸铁锂(LiFePO4)为代表的磷酸铁基材料,具有更高的电压。

    此次试制的钮扣电池原型实际测量到的充电容量大约为每克105mAh/g(注2),是理论值139mAh/g(Li5.33Fe5.33(P2O7)4)或137mAh/g(LiCoO2)的75%左右,我们计划今后对其进行进一步分析和改进。

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图1  新型材料的晶体结构

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图2  纽扣电池原型

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图3  钮扣电池原型的电压与放电深度(注3


效果

此次新开发的铁基正极材料,在能量密度方面虽未达到与现有钴材料相同的电压,但它为提高铁基材料的电压,解决研究开发中的难题铺平了道路。

另外,钴基正极材料作为锂离子充电电池已被广泛用于EV、智能手机和数码相机等众多设备。若能开发出与钴基材料相同能量密度的正极材料,则可以利用产量丰富的铁来取代稀有金属钴,这不仅有利于正极材料的稳定生产,还可为锂离子充电电池或EV等的稳定生产做出贡献。

今后

富士通研究所将基于此次研究结果,继续致力于提高铁基正极材料的晶体结构,努力实现与钴基材料相当的电压且保持更长时间,从而达到高电压、高能源密度的目标。该电极也可以用作安全固体充电电池的低成本正极材料。今后,我们将通过开发低成本、低环境负荷、高能量密度、高安全性的下一代充电电池技术,实现更加舒适的可持续发展社会。

注释

注1 株式会社富士通研究所:
社长 佐佐木 繁
总公司所在地 日本神奈川县川崎市
注2 mAh/g:
表示每1g正极材料的容量密度,假定电池需要1小时从全充电状态完全放电时,所需的电流值。
注3 放电深度:
额定容量达到100%,即完全充电状态下的放电量所占比例。