東芝開發(fā)新型無鈷5V級高電位正極鋰離子電池

東芝公司開發(fā)了一種新型鋰離子電池，采用無鈷 5V 級高電位正極材料，可顯著抑制副反應產生的性能下降氣體。該電池可用于從電動工具到電動汽車的廣泛應用。

鈷和鎳廣泛用于穩(wěn)定鋰離子電池的陰極。然而，鈷屬于稀有金屬，在成本穩(wěn)定性和供應鏈可靠性方面存在潛在問題。人們對鎳也存在擔憂，因為近年來需求的增加推高了市場價格。東芝的新型鋰離子電池陰極不含鈷，鎳含量也較少，使其成為成本和資源節(jié)約方面的卓越解決方案。

在鋰離子電池中使用 5V 級高電位陰極將提高電池電壓和功率性能，但其發(fā)展受到一個實際問題的阻礙：副反應會導致電解質分解并產生導致電池性能下降的氣體表現。東芝的新型陰極與傳統(tǒng)的高電導率電解質一起使用時可顯著抑制氣體的產生。

東芝已經推出了一種袋裝鋰離子電池原型，該電池將新型陰極與鈮鈦氧化物 ( NTO ) 陽極相結合。測試中，該電池表現出超過 3V 的高電壓、5 分鐘快速充電至 80% 的容量、高功率性能以及優(yōu)異的壽命特性，即使在 60 ° C 的溫度下也是如此。該電池的目標應用范圍從電動工具和需要小型電池組高電壓的工業(yè)應用，一直到電動汽車。

推動碳中和未來的動力是各種應用對鋰離子電池的需求不斷增加。如今的電池通常使用鈷作為陰極穩(wěn)定劑，但它是一種稀有金屬，人們對供應來源和穩(wěn)定供應、成本波動、以及與土壤和水污染相關的環(huán)境問題以及隨之而來的生物多樣性喪失感到擔憂。鈷開采和精煉。鎳也廣泛用于陰極，以幫助提高鋰離子電池的能量密度，但精煉過程在某些國家之間分布不均。供應鏈的持續(xù)進步和風險降低將需要不依賴稀有金屬、支持資源節(jié)約并且使用供應充足的材料的電池。

在鋰離子電池的主要市場之一的汽車行業(yè)，人們正在努力提高電池組電壓，此舉將縮短充電時間，以提高包括電機和逆變器在內的車載電子設備的效率，并增加電池輸出。更高電壓的電池將減少電池模塊所需的電池堆數量并降低成本。

鎳錳氧化物(LNMO)是一種尖晶石型金屬氧化物，可實現無鈷、低鎳含量的高電位正極，被視為未來鋰離子電池正極的有力候選者。然而，LNMO 的高工作電位會氧化電池電解液，將其分解成氣體，從而導致電池顯著膨脹并縮短使用壽命。有許多報道試圖通過增加電解質濃度以及使用氟化溶劑和離子液體來提高電解質的抗氧化性，但這種方法需要在抑制氣體產生和鋰離子電導率之間進行權衡。實際應用面臨許多成本和性能問題。

東芝的研究發(fā)現，電解質在高電位陰極表面分解并產生氣體，并且陰極材料的金屬成分溶解并沉積在陽極表面。該公司利用這些發(fā)現開發(fā)了一種技術，可以修改陰極顆粒的表面，有效抑制與電解質的反應。它還開發(fā)了一種使陽極表面轉移的離子失活的技術。結合起來，這些技術成功地抑制了氣體的產生，即使使用傳統(tǒng)的高電導率電解質也是如此。

東芝使用帶有 NTO 陽極的 1.5Ah 級軟包電池原型評估了這項新技術。電池測試發(fā)現，該電池具有 3V 或更高的高電壓、5 分鐘內快速充電至 80% 容量、在超過 6000 次充電 / 放電循環(huán)后仍能保持初始容量 80% 或以上的耐久性，即使在高溫下也具有出色的壽命特性 60 ° C。

在考慮新型電池的潛在應用時，東芝首先考慮將其用于電動工具、工業(yè)設備以及其他需要小尺寸和高電壓的應用。除此之外，該公司的目標是為車載應用開發(fā)更大的模塊。展望未來，公司將繼續(xù)改進技術，爭取在 2028 年實現商業(yè)化。