??? 多元化的性能需求
為了滿足快速擴大的市場需求，充電電池的研發(fā)日益活躍。此前作為市場主流的便攜終端用充電電池，以旨在實現(xiàn)高容量化的研發(fā)為主。手機及筆記本電腦等要求電池具備的最重要性能是，充電一次可使用很長時間。此前，人們一直認(rèn)為壽命達(dá)到“2年左右即可”，寧可犧牲壽命也要優(yōu)先實現(xiàn)高容量化。
但電動汽車及定置用途要求電池具備的性能更加多樣。比如， 電動汽車有混合動力車( H E V ) 、插電式混合動力車(PHEV)及純電動車(EV)等多種車型。各種車型要求電池具備的性能也不同。
??? 具體而言，HEV在加減速時需要大電力交換，因此高輸出功率的電池較為理想。而EV與便攜終端一樣，要求充電一次可行駛很長的距離，因此必須實現(xiàn)高容量化。對電池容量的要求為HEVPHEV>EV。不過，電動汽車與便攜終端相比，要求電池具有更長的壽命及更高的安全性。
定置用途也一樣。以夜間儲存電力供白天使用的電網(wǎng)電力高峰期轉(zhuǎn)換(Peak Shift)用途為代表，大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)要求電池具備非常大的容量。而用來抑制安裝量不斷增加的大規(guī)模光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電的輸出功率變化時，則必須使用對輸出功率變化具有較高耐性的高功率電池。而且，定置用途與電動汽車用途相比，不僅要求電池壽命更長，而且用于大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)時，必須具備發(fā)生火災(zāi)時不會燃燒的高安全性。
高容量化
各領(lǐng)域?qū)⑷绾蚊闇?zhǔn)2 0 2 0年推進電池開發(fā)呢？在便攜終端領(lǐng)域，估計今后的開發(fā)主流仍以實現(xiàn)高容量化為目標(biāo)。盡管目前的便攜終端用充電電池也有鎳氫充電電池及鎳鎘(Ni-Cd)充電電池等，但傳統(tǒng)手機、智能手機、筆記本電腦及平板終端已開始采用鋰離子充電電池。
??? 目前，鋰離子充電電池單位體積的能量密度已達(dá)到600Wh/L左右，在市面上的充電電池中能量密度最高。
但負(fù)極材料采用石墨的現(xiàn)行鋰離子充電電池的能量密度正在接近極限。今后將通過混合使用硅(Si)及錫(Sn)等合金類負(fù)極材料，來提高能量密度，目標(biāo)是到2020年使能量密度達(dá)到800～1000Wh/L左右。
便攜終端用電池方面，雖然高容量化仍是今后的開發(fā)主流，但部分企業(yè)已開始轉(zhuǎn)向其他開發(fā)方向，比如將原來長達(dá)1～2小時的充電時間縮短至10分鐘左右，在不增加容量的情況下提高易用性。
以NTT DoCoMo為例，該公司在CEATEC JAPAN 2011上公開了可在10分鐘內(nèi)快速充電的移動電源試制品?？衫猛獬銮盎蛟诓蛷d吃飯時等較短的時間，為移動電源快速充電，然后再利用移動電源為智能手機充電。
如果能夠結(jié)合使用N T TDoCoMo已開始銷售的無線供電系統(tǒng)，構(gòu)建可隨時隨地快速充電的基礎(chǔ)設(shè)施，便有望在不增加充電電池容量的情況下提高便攜終端的易用性。
高安全性
隨著電池用途的不斷擴大，電池的開發(fā)重心呈現(xiàn)出了高容量、高安全性及長壽命等多樣化趨勢。即便如此，在市場快速擴大的電動汽車用途與定置用途方面，今后開發(fā)的大前提仍是安全性高和長壽命。
在這種形勢下，從事定置用鋰離子充電電池業(yè)務(wù)的ELIIYPower宣布，2011年8月其大型鋰離子充電電池全球首次獲得了國際第三方機構(gòu)TUV Rheinland日本實施的安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證“TV-S Mark”。
??? 達(dá)到了振動測試、貫通測試、沖擊測試、冷熱沖擊測試、短路測試、過放電測試、落下測試、浸水測試、破壞測試、異常加熱測試及過充電測試等11個項目的測試及工廠監(jiān)查的要求，并獲得了認(rèn)證。
2010年12月，ELIIYPower通過在μm級別上對正極和負(fù)極進行微細(xì)構(gòu)造控制，優(yōu)化與電解液等的組合方式，使單元的能量密度比其原產(chǎn)品提高了約10％。而且，將使用溫度范圍擴大到了－20～60℃，尤其提高了高溫下的循環(huán)特性以及低溫下的充電性能。
據(jù)ELIIYPower介紹，盡管以前就對這種電池單元實施過鈍釘穿剌、壓碎、過充電及過放電測試等，并證明不會冒煙、起火及破裂，但考慮到今后要向家庭等普及這種電池，便取得了第三方機構(gòu)的認(rèn)證。
受東日本大地震后日本各地電力短缺的影響，住宅企業(yè)等開始考慮采用家用蓄電系統(tǒng)。但目前的現(xiàn)狀是，很多住宅企業(yè)都很擔(dān)心鋰離子充電電池的安全性，希望電池廠商能夠大幅提高電池單元的安全性。
實際生活中也曾發(fā)生過讓這種擔(dān)憂加劇的事故。2011年9月下旬，此前作為大型蓄電池不斷獲得應(yīng)用的硫化鈉(NaS)電池發(fā)生了火災(zāi)事故。
作為銷售商的日本礙子(NGK)決定停止供貨，并于2011年10月28日宣布停產(chǎn)NAS電池。
兼具高容量高安全
為了在提高安全性的同時實現(xiàn)高容量化，利用固體電解質(zhì)而非目前主流的電解液的研發(fā)活動日益活躍。這種電池稱為全固體電池。
全固體電池方面，人們發(fā)現(xiàn)了離子導(dǎo)電度與傳統(tǒng)電解液同等的物質(zhì)。
這就是硫化物類固體電解質(zhì)之一——Li10GeP2S12。表示鋰擴散速度的離子導(dǎo)電度可在室溫(27℃)下達(dá)到1.2×10－2S/cm，這是一個極高的數(shù)值。
開發(fā)出這種電解質(zhì)的是，東京工業(yè)大學(xué)、豐田與高能源加速器研究機構(gòu)組成的研發(fā)小組。主導(dǎo)研發(fā)的東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究系物質(zhì)電子化學(xué)專業(yè)教授菅野了次自信地表示，“打破了此前固體電解質(zhì)無法實現(xiàn)的、在室溫下達(dá)到10－2S/cm的極限”。
豐田已試制出了采用這種固體電解質(zhì)的電池單元。解決了此前全固體電池存在的大電流放電問題。測試結(jié)果顯示，可實現(xiàn)50C的高倍率放電。
??? 測試時， 采用了由碳材料混合而成的電池單元， 正極使用鈷酸鋰( L i C o O 2) ， 負(fù)極使用鈦酸鋰(Li4Ti5O12)。正極材料LiCoO2在包覆可降低界面電阻的鈮酸鋰(LiNbO3)之后，與固體電解質(zhì)混合在一起。
這種電池存在的課題是，除固體電解質(zhì)外，還存在較大的電阻因素，這會對高倍率特性帶來巨大影響。
豐田今后打算從被覆在正極材料的LiNbO3、負(fù)極電阻以及正極或負(fù)極電子通路等的影響中找出問題的原因所在。
如果能夠解決此類問題，估計就能利用固體電解質(zhì)，使安全性更高、容量更大的鋰電池實用化。
為了滿足快速擴大的市場需求，充電電池的研發(fā)日益活躍。此前作為市場主流的便攜終端用充電電池，以旨在實現(xiàn)高容量化的研發(fā)為主。手機及筆記本電腦等要求電池具備的最重要性能是，充電一次可使用很長時間。此前，人們一直認(rèn)為壽命達(dá)到“2年左右即可”，寧可犧牲壽命也要優(yōu)先實現(xiàn)高容量化。
但電動汽車及定置用途要求電池具備的性能更加多樣。比如， 電動汽車有混合動力車( H E V ) 、插電式混合動力車(PHEV)及純電動車(EV)等多種車型。各種車型要求電池具備的性能也不同。
??? 具體而言，HEV在加減速時需要大電力交換，因此高輸出功率的電池較為理想。而EV與便攜終端一樣，要求充電一次可行駛很長的距離，因此必須實現(xiàn)高容量化。對電池容量的要求為HEVPHEV>EV。不過，電動汽車與便攜終端相比，要求電池具有更長的壽命及更高的安全性。
定置用途也一樣。以夜間儲存電力供白天使用的電網(wǎng)電力高峰期轉(zhuǎn)換(Peak Shift)用途為代表，大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)要求電池具備非常大的容量。而用來抑制安裝量不斷增加的大規(guī)模光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電的輸出功率變化時，則必須使用對輸出功率變化具有較高耐性的高功率電池。而且，定置用途與電動汽車用途相比，不僅要求電池壽命更長，而且用于大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)時，必須具備發(fā)生火災(zāi)時不會燃燒的高安全性。
高容量化
各領(lǐng)域?qū)⑷绾蚊闇?zhǔn)2 0 2 0年推進電池開發(fā)呢？在便攜終端領(lǐng)域，估計今后的開發(fā)主流仍以實現(xiàn)高容量化為目標(biāo)。盡管目前的便攜終端用充電電池也有鎳氫充電電池及鎳鎘(Ni-Cd)充電電池等，但傳統(tǒng)手機、智能手機、筆記本電腦及平板終端已開始采用鋰離子充電電池。
??? 目前，鋰離子充電電池單位體積的能量密度已達(dá)到600Wh/L左右，在市面上的充電電池中能量密度最高。
但負(fù)極材料采用石墨的現(xiàn)行鋰離子充電電池的能量密度正在接近極限。今后將通過混合使用硅(Si)及錫(Sn)等合金類負(fù)極材料，來提高能量密度，目標(biāo)是到2020年使能量密度達(dá)到800～1000Wh/L左右。
便攜終端用電池方面，雖然高容量化仍是今后的開發(fā)主流，但部分企業(yè)已開始轉(zhuǎn)向其他開發(fā)方向，比如將原來長達(dá)1～2小時的充電時間縮短至10分鐘左右，在不增加容量的情況下提高易用性。
以NTT DoCoMo為例，該公司在CEATEC JAPAN 2011上公開了可在10分鐘內(nèi)快速充電的移動電源試制品?？衫猛獬銮盎蛟诓蛷d吃飯時等較短的時間，為移動電源快速充電，然后再利用移動電源為智能手機充電。
如果能夠結(jié)合使用N T TDoCoMo已開始銷售的無線供電系統(tǒng)，構(gòu)建可隨時隨地快速充電的基礎(chǔ)設(shè)施，便有望在不增加充電電池容量的情況下提高便攜終端的易用性。
高安全性
隨著電池用途的不斷擴大，電池的開發(fā)重心呈現(xiàn)出了高容量、高安全性及長壽命等多樣化趨勢。即便如此，在市場快速擴大的電動汽車用途與定置用途方面，今后開發(fā)的大前提仍是安全性高和長壽命。
在這種形勢下，從事定置用鋰離子充電電池業(yè)務(wù)的ELIIYPower宣布，2011年8月其大型鋰離子充電電池全球首次獲得了國際第三方機構(gòu)TUV Rheinland日本實施的安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證“TV-S Mark”。
??? 達(dá)到了振動測試、貫通測試、沖擊測試、冷熱沖擊測試、短路測試、過放電測試、落下測試、浸水測試、破壞測試、異常加熱測試及過充電測試等11個項目的測試及工廠監(jiān)查的要求，并獲得了認(rèn)證。
2010年12月，ELIIYPower通過在μm級別上對正極和負(fù)極進行微細(xì)構(gòu)造控制，優(yōu)化與電解液等的組合方式，使單元的能量密度比其原產(chǎn)品提高了約10％。而且，將使用溫度范圍擴大到了－20～60℃，尤其提高了高溫下的循環(huán)特性以及低溫下的充電性能。
據(jù)ELIIYPower介紹，盡管以前就對這種電池單元實施過鈍釘穿剌、壓碎、過充電及過放電測試等，并證明不會冒煙、起火及破裂，但考慮到今后要向家庭等普及這種電池，便取得了第三方機構(gòu)的認(rèn)證。
受東日本大地震后日本各地電力短缺的影響，住宅企業(yè)等開始考慮采用家用蓄電系統(tǒng)。但目前的現(xiàn)狀是，很多住宅企業(yè)都很擔(dān)心鋰離子充電電池的安全性，希望電池廠商能夠大幅提高電池單元的安全性。
實際生活中也曾發(fā)生過讓這種擔(dān)憂加劇的事故。2011年9月下旬，此前作為大型蓄電池不斷獲得應(yīng)用的硫化鈉(NaS)電池發(fā)生了火災(zāi)事故。
作為銷售商的日本礙子(NGK)決定停止供貨，并于2011年10月28日宣布停產(chǎn)NAS電池。
兼具高容量高安全
為了在提高安全性的同時實現(xiàn)高容量化，利用固體電解質(zhì)而非目前主流的電解液的研發(fā)活動日益活躍。這種電池稱為全固體電池。
全固體電池方面，人們發(fā)現(xiàn)了離子導(dǎo)電度與傳統(tǒng)電解液同等的物質(zhì)。
這就是硫化物類固體電解質(zhì)之一——Li10GeP2S12。表示鋰擴散速度的離子導(dǎo)電度可在室溫(27℃)下達(dá)到1.2×10－2S/cm，這是一個極高的數(shù)值。
開發(fā)出這種電解質(zhì)的是，東京工業(yè)大學(xué)、豐田與高能源加速器研究機構(gòu)組成的研發(fā)小組。主導(dǎo)研發(fā)的東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究系物質(zhì)電子化學(xué)專業(yè)教授菅野了次自信地表示，“打破了此前固體電解質(zhì)無法實現(xiàn)的、在室溫下達(dá)到10－2S/cm的極限”。
豐田已試制出了采用這種固體電解質(zhì)的電池單元。解決了此前全固體電池存在的大電流放電問題。測試結(jié)果顯示，可實現(xiàn)50C的高倍率放電。
??? 測試時， 采用了由碳材料混合而成的電池單元， 正極使用鈷酸鋰( L i C o O 2) ， 負(fù)極使用鈦酸鋰(Li4Ti5O12)。正極材料LiCoO2在包覆可降低界面電阻的鈮酸鋰(LiNbO3)之后，與固體電解質(zhì)混合在一起。
這種電池存在的課題是，除固體電解質(zhì)外，還存在較大的電阻因素，這會對高倍率特性帶來巨大影響。
豐田今后打算從被覆在正極材料的LiNbO3、負(fù)極電阻以及正極或負(fù)極電子通路等的影響中找出問題的原因所在。
如果能夠解決此類問題，估計就能利用固體電解質(zhì)，使安全性更高、容量更大的鋰電池實用化。
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