東芝公司開發(fā)了一種新型鋰離子電池，采用無鈷 5V 級高電位正極材料，可顯著抑制副反應(yīng)產(chǎn)生的性能下降氣體。該電池可用于從電動工具到電動汽車的廣泛應(yīng)用。

鈷和鎳廣泛用于穩(wěn)定鋰離子電池的陰極。然而，鈷屬于稀有金屬，在成本穩(wěn)定性和供應(yīng)鏈可靠性方面存在潛在問題。人們對鎳也存在擔(dān)憂，因為近年來需求的增加推高了市場價格。東芝的新型鋰離子電池陰極不含鈷，鎳含量也較少，使其成為成本和資源節(jié)約方面的卓越解決方案。

在鋰離子電池中使用 5V 級高電位陰極將提高電池電壓和功率性能，但其發(fā)展受到一個實際問題的阻礙：副反應(yīng)會導(dǎo)致電解質(zhì)分解并產(chǎn)生導(dǎo)致電池性能下降的氣體表現(xiàn)。東芝的新型陰極與傳統(tǒng)的高電導(dǎo)率電解質(zhì)一起使用時可顯著抑制氣體的產(chǎn)生。

東芝已經(jīng)推出了一種袋裝鋰離子電池原型，該電池將新型陰極與鈮鈦氧化物 ( NTO ) 陽極相結(jié)合。測試中，該電池表現(xiàn)出超過 3V 的高電壓、5 分鐘快速充電至 80% 的容量、高功率性能以及優(yōu)異的壽命特性，即使在 60 ° C 的溫度下也是如此。該電池的目標(biāo)應(yīng)用范圍從電動工具和需要小型電池組高電壓的工業(yè)應(yīng)用，一直到電動汽車。

推動碳中和未來的動力是各種應(yīng)用對鋰離子電池的需求不斷增加。如今的電池通常使用鈷作為陰極穩(wěn)定劑，但它是一種稀有金屬，人們對供應(yīng)來源和穩(wěn)定供應(yīng)、成本波動、以及與土壤和水污染相關(guān)的環(huán)境問題以及隨之而來的生物多樣性喪失感到擔(dān)憂。鈷開采和精煉。鎳也廣泛用于陰極，以幫助提高鋰離子電池的能量密度，但精煉過程在某些國家之間分布不均。供應(yīng)鏈的持續(xù)進步和風(fēng)險降低將需要不依賴稀有金屬、支持資源節(jié)約并且使用供應(yīng)充足的材料的電池。

在鋰離子電池的主要市場之一的汽車行業(yè)，人們正在努力提高電池組電壓，此舉將縮短充電時間，以提高包括電機和逆變器在內(nèi)的車載電子設(shè)備的效率，并增加電池輸出。更高電壓的電池將減少電池模塊所需的電池堆數(shù)量并降低成本。

鎳錳氧化物(LNMO)是一種尖晶石型金屬氧化物，可實現(xiàn)無鈷、低鎳含量的高電位正極，被視為未來鋰離子電池正極的有力候選者。然而，LNMO 的高工作電位會氧化電池電解液，將其分解成氣體，從而導(dǎo)致電池顯著膨脹并縮短使用壽命。有許多報道試圖通過增加電解質(zhì)濃度以及使用氟化溶劑和離子液體來提高電解質(zhì)的抗氧化性，但這種方法需要在抑制氣體產(chǎn)生和鋰離子電導(dǎo)率之間進行權(quán)衡。實際應(yīng)用面臨許多成本和性能問題。

東芝的研究發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)在高電位陰極表面分解并產(chǎn)生氣體，并且陰極材料的金屬成分溶解并沉積在陽極表面。該公司利用這些發(fā)現(xiàn)開發(fā)了一種技術(shù)，可以修改陰極顆粒的表面，有效抑制與電解質(zhì)的反應(yīng)。它還開發(fā)了一種使陽極表面轉(zhuǎn)移的離子失活的技術(shù)。結(jié)合起來，這些技術(shù)成功地抑制了氣體的產(chǎn)生，即使使用傳統(tǒng)的高電導(dǎo)率電解質(zhì)也是如此。

東芝使用帶有 NTO 陽極的 1.5Ah 級軟包電池原型評估了這項新技術(shù)。電池測試發(fā)現(xiàn)，該電池具有 3V 或更高的高電壓、5 分鐘內(nèi)快速充電至 80% 容量、在超過 6000 次充電 / 放電循環(huán)后仍能保持初始容量 80% 或以上的耐久性，即使在高溫下也具有出色的壽命特性 60 ° C。

在考慮新型電池的潛在應(yīng)用時，東芝首先考慮將其用于電動工具、工業(yè)設(shè)備以及其他需要小尺寸和高電壓的應(yīng)用。除此之外，該公司的目標(biāo)是為車載應(yīng)用開發(fā)更大的模塊。展望未來，公司將繼續(xù)改進技術(shù)，爭取在 2028 年實現(xiàn)商業(yè)化。