2019年諾貝爾化學獎授予了吉野彰、約翰·古德納夫和斯坦利·威廷漢三位科學家。這三位諾獎得主獲獎的研究項目均與“鋰離子電池研發(fā)技術”有關。

鮮為人知的是，在古德納夫的研究過程中，東芝高級研究員水島公一也發(fā)揮了極大的作用。當時，在東京大學擔任助教水島在約翰·古德納夫的指導下，從事大容量鋰離子電池正極材料的研究工作。在研究過程中水島發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰作為材料的性能表現(xiàn)優(yōu)異。這一發(fā)現(xiàn)為今天實際使用的鋰離子電池的基本結構做出了重大貢獻。為此，東芝也為水島頒發(fā)了特別獎，以表彰他的卓越功績。

株式會社東芝CEO兼董事長車谷暢昭（圖右 時任）為東芝高級研究員水島公一（圖左）頒發(fā)特別獎

如今，為應對日益加劇的全球變暖問題，加速推進汽車電動化乃當務之急。如果電動汽車電池的高能量輸入、輸出、壽命等問題可以得到更好的解決，便能更好的得到應用，為減少碳排放做出貢獻。因此，人們現(xiàn)在對鋰離子電池的前景寄予厚望，希望它能夠幫助實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(SDGs)。

鋰離子電池的性能要求及實現(xiàn)方式

鋰離子電池的能量密度較高，具有體積小、重量輕、電壓高、容量大、充放電循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點，人們期待著更優(yōu)秀的鋰離子電池的出現(xiàn)能更好地助力電動汽車的發(fā)展。

但是，為使鋰離子電池更好的應用還需要攻克諸多課題。

不同的用途，對鋰離子電池的性能要求也不同

在實現(xiàn)大容量和高能量密度方面，電池能夠儲存的能量越多，異常情況下發(fā)生嚴重事故的可能性也就越高。為此，需要對鋰離子電池實行嚴格的質量管理制度，例如防止在生產過程中混入異物等。特別在工業(yè)領域應用，不僅需要確保在惡劣環(huán)境下使用時的安全可靠性，而且通常對工業(yè)設備中的鋰電池進行更換操作比較難，還需要確保電池的穩(wěn)定性。

東芝提出的新型鋰離子電池方案

東芝SCiB^?鋰離子電池使用鈦酸鋰(LTO)作為負極材料，在滿足容量大、能量密度高需求的同時，還具有安全性高、壽命長、低溫性能好、有效SOC^※1范圍大、快速充電、高輸入輸出功率等優(yōu)點?？蓱糜陔妱悠嚒⒐潭ㄊ?工業(yè)用電池等場景。

※1：SOC（荷電狀態(tài)）。SCiBTM在SOC廣泛的運行范圍內具有高輸入輸出功率特性，可以在0%～100%的SOC范圍內使用。

●LTO負極的優(yōu)點（1）：理論上不會析出金屬鋰，內部短路風險較低

鋰離子電池因性能劣化和內部短路而誘發(fā)起火事故常有發(fā)生。造成這些問題的原因是負極析出的樹枝狀金屬鋰，也被稱為枝晶（樹突）。當這種枝晶生長穿過隔膜到達正極時，內部就會發(fā)生短路，導致電池起火。

負極析出樹枝狀金屬鋰

當負極的電位因超過電壓而變?yōu)?伏(V)時，就會析出枝晶。在普通鋰離子電池的石墨負極中，由于吸藏^※2鋰離子的電位為0.1V，接近0V，因此在稍微施加過電壓的狀態(tài)下(快速充電或在低溫環(huán)境中充電等)，析出枝晶的可能性就會增加。另一方面，在SCiB?采用的LTO負極中，由于吸藏放電電位為1.5V和0V，可保證足夠的裕度，理論上，枝晶析出的可能性很小。

※2：吸藏指鋰離子被吸收到固體中的一種現(xiàn)象。

●LTO負極的優(yōu)點（2）：一旦發(fā)生內部短路，可啟動自我保護功能

LTO具有自我保護功能，即使內部發(fā)生短路，仍可確保較高的安全性。LTO雖然是一種絕緣體，但可通過吸藏鋰離子，作為電極材料(導電相)。當陰正極之間意外混入金屬等異物時，鋰離子會立即從短路點附近的LTO中釋放出來，隨后LTO負極變?yōu)榻^緣體(高阻相)，防止產生過大的短路電流，抑制電池熱失控。這就是LTO負極電池的自我保護功能。

●LTO負極的優(yōu)點（3）：快速充電、低溫性能

即使快速充電的情況下，LTO負極上析出金屬鋰(枝晶)的可能性也較低。利用這一優(yōu)勢，SCiB?可以實現(xiàn)快速、安全的充電，只需充電3分鐘即可達到80%的電量。此外，即使在-20℃的低溫下進行充電實驗，LTO負極也不會析出枝晶，因此可以反復充/放電，并且?guī)缀醪粫е氯萘繙p少。

●LTO負極的優(yōu)點（4）：充放電時的體積變化非常小，可確保使用壽命

隨著鋰離子的吸藏和釋放，普通鋰離子電池的體積會發(fā)生5～15%的變化。這種物理體積的變化會損害材料，導致容量降低、壽命縮短。對此，SCiB?采用的LTO負極材料具有非常穩(wěn)定的尖晶石型結構，體積幾乎不會隨鋰離子吸藏和釋放而產生變化。在環(huán)境溫度為35℃的條件下進行的實驗中也證實了這一點，經過2萬多次充放電后，容量仍保持在90%以上。

●與普通鋰離子電池的性能比較

綜上所述，SCiB^?性能出眾，優(yōu)勢明顯。與普通鋰離子電池相比，SCiB^?的電池電壓較低、充放電循環(huán)壽命長、工作溫度和可充電溫度優(yōu)異，且總體擁有成本更低。

LTO電池與普通鋰離子電池的比較