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利用可代替鋰離子的離子導體,實現充電電池的低成本及高容量

   2012-08-06 鋰電世界0
核心提示:鋰電世界訊,Na離子、Mg離子、Ca離子及Al離子等可作為離子導體代替鋰離子充電電池中的鋰離子,利用這些離子導體的充電電池開發日益活躍起來。目的是實現電池的低成本化與高容量化。

鋰電世界訊,Na離子、Mg離子、Ca離子及Al離子等可作為離子導體代替鋰離子充電電池中的鋰離子,利用這些離子導體的充電電池開發日益活躍起來。目的是實現電池的低成本化與高容量化。

低成本化方面的目標是,通過采用比鋰離子低廉且安全性出色的離子導體,來降低系統成本。比如,住友電氣工業與京都大學能源科學研究系的萩原研究室,共同開發出了可在低于100℃的中低溫下工作的鈉(Na)離子充電電池。目前已在住友電工的大阪制作所,將4個9kWh的電池模塊(共計36kWh)連接到該所內的電力系統上進行實證試驗。

采用Na離子的充電電池目前有日本礙子(NGK)已實現商用化的NAS(硫磺鈉)電池和瑞士MES-DEA公司的鈉鎳氯化物充電電池。但由于這些電池需要結合使用溶融的Na與陶瓷固體電解質,因此需要將溫度提高到300℃才能工作。

住友電工等開發的電池只用混有雙(氟磺酰)亞胺鈉(NaFSA)和雙(氟磺酰)亞胺鉀(KFSA)的熔鹽來構成電解液。電解液的融點僅為57℃,可在57~190℃的溫度范圍內工作。

住友電工的目標是將這種電池用于中等規模的電網及普通住宅等的電力儲存、頻繁行駛的卡車及巴士等商用車上。

讓二價離子移動

另一方面,為實現高容量化而利用Mg離子或Ca離子作為離子導體代替鋰離子的研發活動也十分活躍。鋰離子充電電池利用的是讓一價離子Li+移動的電池反應,而采用Mg離子或Ca離子的電池有望通過交換Mg2+或Ca2++等二價離子,來實現高容量化(圖A-1)。而且,Mg或Ca與Li相比,資源儲量豐富,有望降低材料成本。

圖A-1:利用二價離子提高能量密度

目前較為活躍的電池研究是,并非像目前的鋰離子充電電池那樣利用一價離子,而是通過使Mg及Ca等2價離子移動,來提高能量密度。

Mg離子電池方面,除了大學之外,日本產業技術綜合研究所、埼玉縣產業技術綜合中心及索尼等均在學會等會議上介紹了電池特性。但Mg離子電池因材料會隨著充放電明顯劣化,因此目前還很難作為充電電池使用,業界寄希望于今后的材料開發。Ca離子電池也一樣,人們將繼續探索可以充放電的材料。

此外,為了使采用鋰離子的電池實現高容量化,與材料候選較多的負極相比,材料候選相對較少的正極材料的開發不可缺少。目前,備受關注的是固溶體類正極材料等使兩個鋰離子移動的氟化橄欖石類及硅酸鹽類等材料。而且,多電子移動型電池方面,將有機材料用于正極材料的研發活動也非?;钴S。

 
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