米乐m6官方网站 开发出易于回收的“锂铜二次电池”

独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）能源技术研究部[研究部部长长谷川博夫]能源界面技术研究组研究组组长周好信、独立行政法人日本学术振兴会（JSPS）外籍研究员王永刚开发出容量大且易于回收的“锂铜二次电池”。

　锂离子电池广泛用于移动电话和笔记本电脑，但最近正在进行研究和开发以增加在汽车中的使用容量。还有，未来锂资源限制的低成本、可再生锂电池

　新开发的锂铜二次电池在负极侧使用由金属锂制成的有机电解质，在正极侧使用由金属铜制成的水性电解质。固体电解质用墙隔开，以防止两种电解质混合。固体电解质的壁是锂离子（Li⁺) 只能通过，所以铜离子 (Cu²⁺)没有到达有机电解质，电池内的反应没有任何问题地进行。该电池正极侧的放电容量密度为843毫安/克（正极反应的铜重量），是传统锂离子电池容量的五倍以上。此外，即使在100次充电/放电测试之后，放电容量也仅略有下降。此外，传统的锂离子电池电极结构复杂，在使用寿命结束时回收极其困难。而新开发的电池仅使用简单的金属锂和铜作为电极，因此生产成本较低，并且通过简单的工艺进行回收。

　该研究成果将于2009年8月26日至27日（当地时间）在美国圣何塞由IBM主办的活动上公布可扩展的能量存储将在大会上宣布。

左图：新型“锂铜二次电池”的配置，右图：与传统技术的性能比较 单位为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移动电话和笔记本电脑，并且正在研究和开发以提高其在电动汽车中的使用容量。然而，目前的锂离子电池由于正极使用钴、锰等材料而存在资源问题，并且需要复杂且昂贵的制造工艺，例如高温烧结和精细结构控制。此外，经过数百至数千次充放电后已达到使用寿命的电池在回收时也存在问题。活性材料由导电助剂、碳和集电极组成。为了克服这些问题，需要开发一种易于回收、成本低廉、容量大的锂电池。

产业技术研究院能源技术研究本部在下一代“锂离子电池”的研发过程中发现，通过将电极材料纳米化，可以提高电池的输出功率（2005 年 1 月 18 日、2007 年 11 月 19 日、2008 年 8 月 27 日 AIST 新闻稿）。此外，对于电动汽车，“锂空气电池”(2009 年 2 月 24 日 AIST 新闻稿)进行了研发。利用这些锂电池研发的潜力，我们正在研发易于回收的大容量锂电池。

　这项研究得到了日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金的部分支持。

　我们现在开发了一种二次电池，其结构为：有机电解质用于由金属锂制成的负极，水性电解质用于由金属铜制成的正极，并且两种电解质由固体电解质分隔壁分隔。由于分隔壁，两种电解质不会混合。另外，固体电解质壁是锂离子（Li⁺) 仅通过铜离子 (Cu²⁺)不会到达有机电解质，因此实现了稳定的电池反应（充电/放电反应）。

图1新开发电池的充放电曲线（左）和充放电特性（右）

　新开发的锂铜二次电池的正极放电容量密度约为843mAh/g，充电容量密度也约为843mAh/g(每克在正极反应的铜)。与传统锂离子电池的正极容量（120-150mAh/g：文献值）相比，该放电容量显着增加。如右图所示，即使进行100次充放电循环后，放电容量的下降也极小。

　这种锂铜二次电池仅使用简单金属作为电极。充放电过程利用金属与金属离子之间的变化，即金属的溶解/沉淀反应（镀覆），因此活性物质在使用后仍保持金属状态，易于回收电极金属（活性物质的回收和再生）。此外，水性电解质和有机电解质被固体电解质分隔壁隔开，并且两者可以单独再生。由于这些特性，与传统电池相比，回收非常容易，并且回收成本可以保持极低。

　这种电池的充放电反应仅涉及金属表面金属离子的溶解以及金属表面被金属离子“镀”上的反应，不存在化合物形成等复杂过程，因此理论上可以在高电流密度下使用。但现阶段固体电解质隔膜中锂离子的传导性还不够，未来输出密度还需要提高。

　新开发的锂铜二次电池的放电容量是传统锂离子电池的五倍以上，但对于电动汽车等高功率应用，还需要进一步提高输出密度。为此，需要提高用作分离膜的固体电解质的锂离子传导性。未来，AIST计划进一步进行研究开发，以提高锂铜二次电池的产量。

◆锂离子电池

 

二次电池是目前电池中工作电压最高的(3-4V)，并使用钴酸锂等过渡金属氧化物作为正极，石墨基碳材料作为负极，非水电解质作为构成材料。它通过在充电期间将锂离子从正极移动到负极以及在放电期间从负极移动到正极来作为电池工作。它们于20世纪90年代初投入实际使用，由于每单位电池体积或重量可提取的能量（能量密度）远大于其他类型的电池，因此它们已成为手机和笔记本电脑等移动设备不可或缺的电源。[返回来源]

◆锂资源限制

 

截至 2005 年，锂的可开采寿命（= 储量 ÷ 产量）为 265 年（来源：矿产商品摘要2005) 然而，随着其在插电式混合动力汽车和电动汽车中的全面应用，这些汽车需要比移动设备和笔记本电脑容量大得多的二次电池，预计其产量将比石油更早达到峰值，从而使其成为受到严重限制的资源。[返回来源]

◆固体电解质

 

电解质类似于氯化钠 (NaCl)，溶解在水中时会变成离子。电流（离子）流经电解质水溶液。 “固体电解质”是离子在其中流动（移动）同时保持固态的物质。例如，β-氧化铝在钠硫电池中用作钠离子可渗透的固体电解质。[返回来源]

◆mAh/g

 

放电容量密度单位。它是每重量（克）的放电容量（毫安小时）。本研究中正极放电容量密度计算公式为：正极放电容量/正极活性物质（充电时溶解的Cu）²⁺)的权重计算。另一方面，锂离子电池的正极的放电容量密度通过放电容量除以正极活性物质的重量来计算。[返回来源]

◆活性物质

 

通过与电解质发生化学反应释放或吸收电子的物质。放出电子的活性物质称为负极活性物质，接受电子的活性物质称为正极活性物质。锂铜二次电池使用金属锂作为负极活性材料，使用铜作为正极活性材料。典型的锂离子电池例如使用碳作为负极活性物质，使用锂过渡金属氧化物如钴酸锂作为正极活性物质。[返回来源]