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硅負(fù)極鋰離子電池實(shí)現(xiàn)實(shí)用化 日立麥克賽爾6月起供貨

發(fā)布時(shí)間:2010-06-17 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)

產(chǎn)品特性:
  • 單元容量提高到1650mAh左右
  • 放電曲線與原來相同
  • 混合SiO-C復(fù)合體和石墨
應(yīng)用范圍:
日立麥克賽爾開發(fā)出了通過負(fù)極采用硅類材料,容量可比該公司原產(chǎn)品提高10%的鋰離子充電電池。首先將從2010年6月開始面向智能手機(jī)供貨方形單元。

“實(shí)用化花了10年時(shí)間”(日立麥克賽爾開發(fā)本部電池開發(fā)中心新一代鋰系電池組主任技師山田將之)。作為鋰離子充電電池實(shí)現(xiàn)高容量化的王牌一直備受關(guān)注的硅類負(fù)極材料終于實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。

日立麥克賽爾沒有公布單元容量,不過面向智能手機(jī)提供的方形單元(外形尺寸為4.9mm×42mm×61mm)為1500mAh,由此可以推斷新產(chǎn)品的單元容量提高到了1650mAh左右。日立麥克賽爾移動(dòng)電池事業(yè)部市場(chǎng)開拓部部長(zhǎng)巖本章自信地表示,在智能手機(jī)領(lǐng)域,“計(jì)劃獲得20~30%的市場(chǎng)份額”。
圖1:與原產(chǎn)品幾乎相同的放電曲線與原產(chǎn)品相比,將容量提高10%,同時(shí)將放電曲線設(shè)計(jì)為與原產(chǎn)品幾乎相同。圖由本站根據(jù)日立麥克賽爾的資料制作。
圖2:高輸出功率下的放電特性優(yōu)異新產(chǎn)品與原產(chǎn)品相比,在放電率較高時(shí)也能維持高容量,具有優(yōu)異的高輸出特性。圖由本站根據(jù)日立麥克賽爾的資料制作。
放電曲線與原來相同
新產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是,具有與原有鋰離子充電電池幾乎相同的放電曲線,并且實(shí)現(xiàn)了高容量化(圖1)。由于充電電壓和工作電壓與原來的鋰離子充電電池相同,因此產(chǎn)品廠商無需改變產(chǎn)品的電源系統(tǒng)即可利用。

如果采用普通的硅類材料,與原來相比單元電壓會(huì)降低,因此需要通過降低終止電壓的方法來實(shí)現(xiàn)高容量化。為此,產(chǎn)品廠商需要使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)能以低電壓驅(qū)動(dòng)的電源系統(tǒng),這就需要大幅改變部件等的設(shè)計(jì)。另外,在智能手機(jī)等手機(jī)中,由于放大器等的效率較低,降低電壓還需要使用電阻。

市場(chǎng)迅速擴(kuò)大的智能手機(jī)因其大屏幕多功能而導(dǎo)致耗電量增加,用戶對(duì)于電池經(jīng)常沒電意見較大。迅速提高電池容量的需求越來越高。日立麥克賽爾無需改變電源系統(tǒng)的新產(chǎn)品正好滿足了這種需求。該公司為了與原來的鋰離子充電電池實(shí)現(xiàn)相同的充電電壓和工作電壓,還改進(jìn)了正極材料和電解液。

新產(chǎn)品不但容量大,大電流下的充放電特性也十分出色。充電時(shí)間可比原產(chǎn)品縮短約30%。放電方面,即使在2.5C的放電率下容量也不會(huì)降低,可用于高輸出產(chǎn)品(圖2)注1)。

注1) 1C表示1小時(shí)的充放電。例如,1650mAh單元的2.5C放電率以約4A的電流放電。

混合SiO-C復(fù)合體和石墨
此次的負(fù)極材料混合了硅類材料和石墨。本來,硅與原產(chǎn)品中使用的石墨相比,理論上單位重量的容量可提高至約10倍。但由于體積受充放電影響的變化較大,電極構(gòu)造會(huì)受到破壞,因此充放電循環(huán)壽命較短,此前很難實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

日立麥克賽爾在非晶SiO2內(nèi)分散了粒徑僅為3nm左右的硅。另外,為提高導(dǎo)電性,采用了利用碳包覆SiO2的SiO-C復(fù)合體(圖3)。實(shí)際上,SiO-C復(fù)合體隨著初期充電,非晶SiO2會(huì)變成鋰與硅的化合物硅酸鋰,具有鋰離子的傳導(dǎo)性,可在SiO-C復(fù)合體內(nèi)的硅中脫插鋰離子。
圖3:混合SiO-C復(fù)合體和石墨
負(fù)極采用日立麥克賽爾量產(chǎn)的硅類材料的單元混合了SiO-C復(fù)合體和石墨(a)。SiO-C將nm級(jí)的硅分散到非晶SiO2的構(gòu)造體內(nèi)(b)。圖由本站根據(jù)日立麥克賽爾的資料制作。

硅在充電后變成Li4.4Si,放電后又復(fù)原為硅。充放電導(dǎo)致的體積膨脹及縮小可利用SiO-C復(fù)合體緩解,即使反復(fù)充放電“硅也不會(huì)出現(xiàn)裂紋”(日立麥克賽爾的山田)。因此,實(shí)現(xiàn)了與原產(chǎn)品相同的充放電循環(huán)壽命。

負(fù)極材料的容量方面,與僅使用石墨時(shí)相比,此次單位重量的容量約增加20%。SiO-C的含量目前還不太高,預(yù)計(jì)今后通過增加其含量可實(shí)現(xiàn)高容量化。價(jià)格方面,由于無需改變單元的制造工序,如果容量相同,價(jià)格便可與原產(chǎn)品大致相同。

今后,日立麥克賽爾計(jì)劃除了高容量產(chǎn)品外,在方形單元通用產(chǎn)品的負(fù)極材料中也混合SiO-C。該公司的方針是,在減少通用產(chǎn)品高價(jià)正極材料的用量以降低成本的同時(shí),采用此次的負(fù)極材料保持容量
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