钜大LARGE | 点击量：1022次 | 2021年12月08日
锂电之父：锂离子电池能量密度还会提高、要确保安全性
锂离子充电电池自20世纪90年代初正式实用化以来，在不到20年的时间里，容量快速新增，市场迅速上升。估计今后将从便携产品用途扩展到电动汽车辆及环保蓄电等领域。
针对锂离子充电电池的现状与课题以及今后的发展方向，记者采访了从实用化之前的研究阶段开始长年从事开发、被誉为锂离子电池之父的原索尼业务执行董事首席常务西美绪。
问：锂离子充电电池的用途是如何拓展起来的？
西：在20世纪90年代的导入期，我们曾把家用摄像机及MD播放器等AV产品作为锂离子充电电池的应用目标。但当时仅靠很小的产量就完全能够满足市场，根本没预料到这种电池会成为主流产品。
但是，不久笔记本电脑开始使用锂离子充电电池，从此市场开始迅速扩大。据悉当时某电脑厂商打出了“在从美国纽约到洛杉矶的5小时飞行行程中无需充电”的宣传广告起了很大用途。从普及期到兴盛期，推动锂离子充电电池发展的是笔记本电脑，然后是手机。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
进入21世纪，锂离子电池开始被数码相机、电动工具（powerTool）及游戏机等采用。今后面对建设低碳化社会的时代要求，估计今后其用途将向混合动力汽车、电动汽车、产业和家用固定型电源等扩展。
图1：能量密度的走势
锂离子充电电池伴随着技术的发展，其能量密度在逐年新增（图1）。确保安全性的措施也得以积累。这些措施都为市场扩大做出了贡献。
问：提高能量密度的关键是什么？今后能量密度还会提高吗？
西：要提高电池的能量密度，有两种方法。一是削减对出现电力没有贡献的部材，比如减薄正负极的集电体及隔膜、减少粘结剂及导电辅助材料等。总之，是通过电池设计来提高。但这种做法存在极限。
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另一种方法是增大电极活性物质（正负极）的单位重量或者单位体积的容量。有关的材料开发长期以来一直都在进行之中。正极的LiCoO2从启动锂离子充电电池开始便以几乎接近理论极限的容量使用，电池容量的改善完全依赖负极的性能。
比如，最初的锂离子充电电池的负极采用碳（焦碳），其能力为250mAh/g左右，初期充放电效率不过80％左右。而现在的负极用碳（石墨）的能力无限接近理论容量的372mAh/g，初期效率也超过了95％。能量密度也分别由初期的200Wh/kg、80Wh/kg增至现在的600Wh/kg、220Wh/kg。
但是，在负极使用碳（石墨）的条件下，电池容量现在已几乎达到理论极限，所以当务之急是开发新一代负极。候补材料有锡（Sn）和硅（Si），前者的理论容量是石墨的3倍，后者更是在石墨的10倍以上。
另一方面，正极活物质在容量方面基本未取得进步。容量比LiCoO2高的正极有LiNiO2，预计正极容量会新增10～20％。但是，LiNiO2在安全问题非常多，基本上未被采用。
最近，部分产品采用了将锂离子充电电池的电压提高到4.2V以上、比如4.4V，放电电流值相同而能源容量（Wh）增大的正极材料。
如上所述，至少从负极来看，从材料方面不断提高容量是没错的。
问：提高能量密度时，应该注意什么问题？
西：使用方的要求不一定仅限于容量。有些用途重视输出特性，比如电动工具，而人造卫星用辅助电源侧重于循环特性。有时要求循环次数要达到15万次，比电脑电池要多得多。
必须掌握满足上述要求的材料和设计方法。当然，所有性能均出色的电池是不存在的。要根据重视什么性能，来决定使用什么电池材料和采用什么设计。
并且，不仅要满足上述多种要求，在安全性这一重要且不可或缺的要素方面也必须达标。因此，要综合考虑造成安全因素与材料的什么性质有关以及如何开发减少这些因素的材料等。
比如，假如像上面提到的以Si为负极的话，负极容量可达到碳材料的10倍以上，但同时还要考虑其他特性（比如负荷特性和循环特性）和安全性。另外，假如采用Si，正极沿用原来的材料，为了与负极保持平衡，要将正极活物质涂布厚度增至10倍。但实际上，这是不可能的。
如此看来，只是单独改进负极，并不能改善电池本身的特性，同时还要重新考虑正极、电解液及隔膜等所有材料。
最后确保安全性的难题摆在开发者面前。电池是将高能量密闭在有限的狭小空间内。而使用时一点点缓慢地释放出能量。但是，有时因某种原因导致能量一下子释放出来。就会造成事故。
容量越大，可集中释放的能量越大，因此危险度更高。因此能量密度越大，安全措施就越重要。
提高能源容量时，开发与之相应的安全措施至关重要。
问：安全措施的关键是什么？
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西：上面已经说过，由于能量密度越高，危险度越大，因此安全问题就越发重要。
事故原因并不是单一的。要准确掌握正极活性物质、负极活性物质、电解液、隔膜及粘结剂等所有材料在充放电过程的举动及其影响安全性的机理等。
最近，成本竞争越来越激烈，销售方对技术方及生产现场提出的降低成本的要求越来越高。虽然可以想到换成便宜材料及缩短制造周期等方法，但技术方面要弄清这些对电池性能、尤其安全性会造成什么影响，保持不能让步的地方绝不妥协的姿态。
另一方面，令人担心的是并非不存在使用方不按照电池设计者指定的使用方法应用的情况。我还听说过，由于机器制造方强烈要求实现快速充电，在其诱惑下，充电设计超过4.2V极限电压的现象也开始出现。
在锂离子充电电池导入期，电池技术人员与营业人员一起向使用方的技术人员做介绍，明确告诉对方什么能做、什么不能做。而现在销售是营业主导，这种场面越来越少。
问：年轻技术人员如何提高实力？
西：锂离子充电电池与原来的电池不同，除电气化学以外，材料方面的知识面也要广。其中包括有机化学（电解液、粘结剂、隔膜）、高分子化学（隔膜、粘结剂、凝胶电解质）、金属（正负极集电体）、陶瓷（正极活物质）、碳材料（负极）等。
并且，锂离子充电电池应用的领域很广，使用方法（充放电条件）也多种多样，因此还要了解应用机器的大致情况。因此，不能把自己封闭在“我是正极专家”这样的狭小区域内。在掌握了广泛的知识（即使浅尝辄止也可以）以后，应该建立专业领域。
问：请您介绍一下行业体制中存在的问题。
西：我希望电池厂商不要忘记相关于成本更要重视品质和安全性的原则。否则，不管怎么提高能量密度以及输出特性，最终都将变成海市蜃楼。
希望使用锂离子充电电池的产品制造方要与电池技术人员深入交流，学习更多锂离子充电电池的使用方法。当然，这个问题不仅机器制造方，电池设计方也要注意。
