鋰電池

鋰離子充電電池自20世紀(jì)90年代初正式實(shí)用化以來，在不到20年的時(shí)間里，容量快速增加，市場(chǎng)迅速增長。估計(jì)今后將從便攜產(chǎn)品用途擴(kuò)展到電動(dòng)車輛及環(huán)保蓄電等領(lǐng)域。

針對(duì)鋰離子電池的現(xiàn)狀與課題以及今后的發(fā)展方向，記者采訪了從實(shí)用化之前的研究階段開始長年從事開發(fā)、被譽(yù)為鋰電池之父的原索尼業(yè)務(wù)執(zhí)行董事首席常務(wù)西美緒。　

問：鋰離子充電電池的用途是如何拓展起來的？

西：在20世紀(jì)90年代的導(dǎo)入期，我們?cè)�把家用攝像機(jī)及MD播放器等AV產(chǎn)品作為鋰離子充電電池的應(yīng)用目標(biāo)。但當(dāng)時(shí)僅靠很小的產(chǎn)量就完全能夠滿足市場(chǎng)，根本沒預(yù)料到這種電池會(huì)成為主流產(chǎn)品。

但是，不久筆記本電腦開始使用鋰離子充電電池，從此市場(chǎng)開始迅速擴(kuò)大。據(jù)悉當(dāng)時(shí)某電腦廠商打出了“在從美國紐約到洛杉磯的5小時(shí)飛行行程中無需充電”的宣傳廣告起了很大作用。從普及期到興盛期，推動(dòng)鋰離子充電電池發(fā)展的是筆記本電腦，然后是手機(jī)。

進(jìn)入21世紀(jì)，鋰離子電池開始被數(shù)碼相機(jī)、電動(dòng)工具（Power Tool）及游戲機(jī)等采用。今后面對(duì)建設(shè)低碳化社會(huì)的時(shí)代要求，估計(jì)今后其用途將向混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車、產(chǎn)業(yè)和家用固定型電源等擴(kuò)展。

鋰離子充電電池伴隨著技術(shù)的發(fā)展，其能量密度在逐年增加。確保安全性的措施也得以積累。這些措施都為市場(chǎng)擴(kuò)大做出了貢獻(xiàn)。

問：提高能量密度的關(guān)鍵是什么？今后能量密度還會(huì)提高嗎？

西：要提高電池的能量密度，有兩種方法。一是削減對(duì)產(chǎn)生電力沒有貢獻(xiàn)的部材，比如減薄正負(fù)極的集電體及隔膜、減少粘結(jié)劑及導(dǎo)電輔助材料等。總之，是通過電池設(shè)計(jì)來提高。但這種做法存在極限。

另一種方法是增大電極活性物質(zhì)（正負(fù)極）的單位重量或者單位體積的容量。有關(guān)的材料開發(fā)長期以來一直都在進(jìn)行之中。正極的LiCoO2從啟動(dòng)鋰離子充電電池開始便以幾乎接近理論極限的容量使用，電池容量的改善完全依賴負(fù)極的性能。

比如，最初的鋰離子充電電池的負(fù)極采用碳（焦碳），其能力為250mAh/g左右，初期充放電效率不過80％左右。而現(xiàn)在的負(fù)極用碳（石墨）的能力無限接近理論容量的372mAh/g，初期效率也超過了95％。能量密度也分別由初期的200Wh/kg、80Wh/kg增至現(xiàn)在的600Wh/kg、220Wh/kg。

但是，在負(fù)極使用碳（石墨）的條件下，電池容量現(xiàn)在已幾乎達(dá)到理論極限，所以當(dāng)務(wù)之急是開發(fā)新一代負(fù)極。候補(bǔ)材料有錫（Sn）和硅（Si），前者的理論容量是石墨的3倍，后者更是在石墨的10倍以上。

另一方面，正極活物質(zhì)在容量方面基本未取得進(jìn)步。容量比LiCoO2高的正極有LiNiO2，預(yù)計(jì)正極容量會(huì)增加10～20％。但是，LiNiO2在安全問題非常多，基本上未被采用。

最近，部分產(chǎn)品采用了將鋰離子充電電池的電壓提高到4.2V以上、比如4.4 V，放電電流值相同而能源容量（Wh）增大的正極材料。

如上所述，至少從負(fù)極來看，從材料方面不斷提高容量是沒錯(cuò)的。

問：提高能量密度時(shí)，應(yīng)該注意什么問題？

西：使用方的要求不一定僅限于容量。有些用途重視輸出特性，比如電動(dòng)工具，而人造衛(wèi)星用輔助電源側(cè)重于循環(huán)特性。有時(shí)要求循環(huán)次數(shù)要達(dá)到15萬次，比電腦電池要多得多。

必須掌握滿足上述要求的材料和設(shè)計(jì)方法。當(dāng)然，所有性能均出色的電池是不存在的。要根據(jù)重視什么性能，來決定使用什么電池材料和采用什么設(shè)計(jì)。

并且，不僅要滿足上述多種要求，在安全性這一重要且不可或缺的要素方面也必須達(dá)標(biāo)。因此，需要綜合考慮造成安全因素與材料的哪些性質(zhì)有關(guān)以及如何開發(fā)減少這些因素的材料等。

比如，如果像上面提到的以Si為負(fù)極的話，負(fù)極容量可達(dá)到碳材料的10倍以上，但同時(shí)還要考慮其他特性（比如負(fù)荷特性和循環(huán)特性）和安全性。另外，如果采用Si，正極沿用原來的材料，為了與負(fù)極保持平衡，需要將正極活物質(zhì)涂布厚度增至10倍。但實(shí)際上，這是不可能的。

如此看來，只是單獨(dú)改進(jìn)負(fù)極，并不能改善電池本身的特性，同時(shí)還需要重新考慮正極、電解液及隔膜等所有材料。

最后確保安全性的難題擺在開發(fā)者面前。電池是將高能量密閉在有限的狹小空間內(nèi)。而使用時(shí)一點(diǎn)點(diǎn)緩慢地釋放出能量。但是，有時(shí)因某種原因?qū)е履芰恳幌伦俞尫懦鰜�。就�?huì)造成事故。

容量越大，可集中釋放的能量越大，因此危險(xiǎn)度更高。因此能量密度越大，安全措施就越重要。

提高能源容量時(shí)，開發(fā)與之相應(yīng)的安全措施至關(guān)重要。

問：安全措施的關(guān)鍵是什么？

 西：上面已經(jīng)說過，由于能量密度越高，危險(xiǎn)度越大，因此安全問題就越發(fā)重要。

事故原因并不是單一的。需要準(zhǔn)確掌握正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、電解液、隔膜及粘結(jié)劑等所有材料在充放電過程的舉動(dòng)及其影響安全性的機(jī)理等。

最近，成本競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，銷售方對(duì)技術(shù)方及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)提出的降低成本的要求越來越高。雖然可以想到換成便宜材料及縮短制造周期等方法，但技術(shù)方面要弄清這些對(duì)電池性能、尤其安全性會(huì)造成什么影響，保持不能讓步的地方絕不妥協(xié)的姿態(tài)。

另一方面，令人擔(dān)心的是并非不存在使用方不按照電池設(shè)計(jì)者指定的使用方法應(yīng)用的情況。我還聽說過，由于機(jī)器制造方強(qiáng)烈要求實(shí)現(xiàn)快速充電，在其誘惑下，充電設(shè)計(jì)超過4.2V極限電壓的現(xiàn)象也開始出現(xiàn)。

在鋰離子充電電池導(dǎo)入期，電池技術(shù)人員與營業(yè)人員一起向使用方的技術(shù)人員做介紹，明確告訴對(duì)方什么能做、什么不能做。而現(xiàn)在銷售是營業(yè)主導(dǎo)，這種場(chǎng)面越來越少。

問：年輕技術(shù)人員如何提高實(shí)力？

西：鋰離子充電電池與原來的電池不同，除電氣化學(xué)以外，材料方面的知識(shí)面也要廣。其中包括有機(jī)化學(xué)（電解液、粘結(jié)劑、隔膜）、高分子化學(xué)（隔膜、粘結(jié)劑、凝膠電解質(zhì)）、金屬（正負(fù)極集電體）、陶瓷（正極活物質(zhì)）、碳材料（負(fù)極）等。

并且，鋰離子充電電池應(yīng)用的領(lǐng)域很廣，使用方法（充放電條件）也多種多樣，因此還需要了解應(yīng)用機(jī)器的大致情況。因此，不能把自己封閉在“我是正極專家”這樣的狹小區(qū)域內(nèi)。在掌握了廣泛的知識(shí)（即使淺嘗輒止也可以）以后，應(yīng)該建立專業(yè)領(lǐng)域。

問：請(qǐng)您介紹一下行業(yè)體制中存在的問題。

西：我希望電池廠商不要忘記相對(duì)于成本更要重視品質(zhì)和安全性的原則。否則，不管怎么提高能量密度以及輸出特性，最終都將變成海市蜃樓。

希望使用鋰離子充電電池的產(chǎn)品制造方要與電池技術(shù)人員深入交流，學(xué)習(xí)更多鋰離子充電電池的使用方法。當(dāng)然，這個(gè)問題不僅機(jī)器制造方，電池設(shè)計(jì)方也要注意。