周浩申（组长）、米乐m6官方网站（AIST）能源技术研究所（所长：长谷川康夫）（所长：野间口保）和王永刚（日本学术振兴会（JSPS）博士后研究员）成功开发出一种易于回收的高容量“锂铜可充电电池”电池。”

锂离子电池广泛用于手机和笔记本电脑。最近，人们对电动汽车用高容量锂离子电池的开发进行了广泛的研究。由于锂资源有限，人们期望开发廉价且可回收的锂离子电池。

在我们的锂铜可充电电池中，将由金属锂制成的负极浸入有机电解质溶液中，将由金属铜制成的正极浸入水性电解质溶液中。通过使用固体电解质隔膜来防止两种电解质溶液的混合。锂离子 (Li⁺)可以通过分离器，而其他离子(Cu²⁺，H⁺，哦^-等）不能从水性电解质迁移到有机电解质；因此，电池反应顺利进行。该电池的放电容量密度为843mAh/g（正极反应中消耗的每单位重量铜），是传统锂离子电池正极容量的5倍以上。即使经过 100 次充电/放电循环后，放电容量也仅略有下降。锂离子电池的电极结构复杂，制造难度极大。然而，我们的锂铜电池中的电极由金属锂和铜制成，具有简单的化学反应概念和电极结构；因此，该电池的制造成本较低，并且易于回收。

这项研究的结果将在 IBM 赞助的、于 2009 年 8 月 26 日至 27 日在美国圣何塞举行的可扩展能源存储会议上公布。

（左）：新型“锂铜充电电池”示意图 （右）：锂铜电池和传统锂离子电池的性能比较 单位：正极所用活性物质单位重量的放电容量（mAh/g）

锂离子电池广泛用于蜂窝电话和笔记本电脑，并且正在对可用于电动汽车的高容量电池的开发进行广泛的研究。然而，在传统的锂离子电池中，正极含有钴或锰，其资源有限。此外，在制造这些电池时，需要复杂且昂贵的工艺，例如高温烧结和精细结构的控制。此外，当回收废电池时（经过数百或数千次充电/放电循环），很难将活性材料与导电添加剂、碳、粘合剂和集电极分离。​为了克服这些问题，有望开发出廉价、高容量且易于回收的锂离子电池。

AIST 能源技术研究所对下一代锂离子电池的开发进行的研究表明，电极材料的纳米结构有助于提高这些电池的功率密度（AIST 新闻稿于 2005 年 1 月 18 日、2007 年 11 月 19 日和 2008 年 8 月 27 日）。还针对电动汽车中使用的具有更高能量密度的“锂空气电池”的开发进行了广泛的研究（AIST 新闻稿，2009 年 2 月 24 日）。​目前，AIST的研究人员正在专注于开发易于回收的高容量锂离子电池。

这项研究得到了 JSPS 科学研究补助金的部分支持。

在这项研究中，我们开发了一种可充电电池，其中负极（金属锂）和正极（金属铜）侧分别使用有机和水性电解质溶液；两种电解质溶液被固体电解质隔板隔开，以防止它们混合。 电解质隔膜仅允许锂离子（Li⁺)通过到正极侧，但不允许任何其他离子(Cu²⁺，H⁺，哦^-等）迁移至负极侧的有机电解质；因此，实现了稳定的电池反应（充电/放电）。

充电期间，电极上会发生以下反应：

1) 负极：Li⁺+ e^-→ 李

来自正极侧电解质水溶液的锂离子(Li+)穿过固体电解质隔膜并到达负极表面；在这里，它们从外部电路获得电子并沉淀为金属锂（镀层）。

2）正极：Cu→Cu²⁺+2e^-

金属铜以铜离子（Cu²⁺)，电子被释放到外部电路。

放电过程中会发生以下反应：

1）负极：Li→Li⁺+ e^-

金属锂在有机电解质溶液中以锂离子（Li+）的形式溶解，并向外部电路释放电子。​然后，锂离子通过固体电解质隔膜迁移到正极侧的电解质水溶液。

2）正极：Cu²⁺+2e^-→ 铜

铜离子 (Cu²⁺)随着外部电路提供的电子而沉淀为金属铜。

图1所开发电池的充电/放电曲线（左）和充电/放电循环性能特性（右）

该锂铜电池的正极放电容量密度约为843mAh/g（每克在正极上反应的铜）。​该放电容量远大于传统锂离子电池正极的放电容量（120-150mAh/g，文献值）。​从图 1（左）可以明显看出，即使在 100 次充电/放电循环后，我们的电池的放电容量也仅略有下降。

锂铜充电电池中的电极由纯金属制成，结构简单。​在充电和放电过程中，会发生金属离子的溶解和金属的沉淀（电镀）。因此，活性电极材料在使用后仍保持金属形式，这使得材料易于回收（活性材料的收集和回收）。 ​ 此外，由于水性电解质溶液和有机电解质溶液被固体电解质分离器分开，因此可以单独回收每种电解质。因此，这些电池的回收明显比传统锂离子电池容易，因为新型电池的回收成本预计非常低。

该电池发生的充放电反应涉及金属表面金属离子的溶解和金属电极表面的“电镀”，不会发生化合物形成等复杂过程；因此，该电池的充电/放电电流密度预计非常高。​然而，固体电解质隔膜的锂离子电导率还不够高，因此需要进一步研究以提高功率密度。

虽然本研究开发的锂铜充电电池的放电容量密度远大于传统锂离子电池，但其功率密度必须提高，以便能够用于消耗大量电量的电动汽车。​如果固体电解质隔膜的锂离子传导性得到提高，这将成为可能。 ​AIST 计划开展进一步研究，以提高这种锂铜充电电池的密度功率。