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          追求“真锂” 您了解东芝的SCiB电池么(上篇)

          东芝

          2021.03.04 能源
          本文看点
          • 东芝与2019诺贝尔奖
          • 锂离子电池的性能需求和技术课题
          • 东芝SCiB?新技术

          2019年诺贝尔化学奖授予了吉野彰、约翰·古德纳夫和斯坦利·威廷汉三位科学家。这三位诺奖得主获奖的研究项目均与“锂离子电池研发技术”有关。

          鲜为人知的是,在古德纳夫的研究过程中,东芝高级研究员水岛公一也发挥了极大的作用。当时,在东京大学担任助教水岛在约翰·古德纳夫的指导下,从事大容量锂离子电池正极材料的研究工作。在研究过程中水岛发现钴酸锂作为材料的性能表现优异。这一发现为今天实际使用的锂离子电池的基本结构做出了重大贡献。为此,东芝也为水岛颁发了特别奖,以表彰他的卓越功绩。

          株式会社东芝CEO兼董事长车谷畅昭(图右 时任)为东芝高级研究员水岛公一(图左)颁发特别奖

          如今,为应对日益加剧的全球变暖问题,加速推进汽车电动化乃当务之急。如果电动汽车电池的高能量输入、输出、寿命等问题可以得到更好的解决,便能更好的得到应用,为减少碳排放做出贡献。因此,人们现在对锂离子电池的前景寄予厚望,希望它能够帮助实现可持续发展目标(SDGs)。

          锂离子电池的性能要求及实现方式

          锂离子电池的能量密度较高,具有体积小、重量轻、电压高、容量大、充放电循环次数多等优点,人们期待着更优秀的锂离子电池的出现能更好地助力电动汽车的发展。

          但是,为使锂离子电池更好的应用还需要攻克诸多课题。

          不同的用途,对锂离子电池的性能要求也不同

          在实现大容量和高能量密度方面,电池能够储存的能量越多,异常情况下发生严重事故的可能性也就越高。为此,需要对锂离子电池实行严格的质量管理制度,例如防止在生产过程中混入异物等。特别在工业领域应用,不仅需要确保在恶劣环境下使用时的安全可靠性,而且通常对工业设备中的锂电池进行更换操作比较难,还需要确保电池的稳定性。

          东芝提出的新型锂离子电池方案

          东芝SCiB?锂离子电池使用钛酸锂(LTO)作为负极材料,在满足容量大、能量密度高需求的同时,还具有安全性高、寿命长、低温性能好、有效SOC※1范围大、快速充电、高输入输出功率等优点??捎τ糜诘缍?、固定式/工业用电池等场景。

          ※1:SOC(荷电状态)。SCiBTM在SOC广泛的运行范围内具有高输入输出功率特性,可以在0%~100%的SOC范围内使用。

          ●LTO负极的优点(1):理论上不会析出金属锂,内部短路风险较低

          锂离子电池因性能劣化和内部短路而诱发起火事故常有发生。造成这些问题的原因是负极析出的树枝状金属锂,也被称为枝晶(树突)。当这种枝晶生长穿过隔膜到达正极时,内部就会发生短路,导致电池起火。

          负极析出树枝状金属锂

          当负极的电位因超过电压而变为0伏(V)时,就会析出枝晶。在普通锂离子电池的石墨负极中,由于吸藏※2锂离子的电位为0.1V,接近0V,因此在稍微施加过电压的状态下(快速充电或在低温环境中充电等),析出枝晶的可能性就会增加。另一方面,在SCiB?采用的LTO负极中,由于吸藏放电电位为1.5V和0V,可保证足够的裕度,理论上,枝晶析出的可能性很小。

          ※2:吸藏指锂离子被吸收到固体中的一种现象。

          ●LTO负极的优点(2):一旦发生内部短路,可启动自我?;すδ?/p>

          LTO具有自我?;すδ?,即使内部发生短路,仍可确保较高的安全性。LTO虽然是一种绝缘体,但可通过吸藏锂离子,作为电极材料(导电相)。当阴正极之间意外混入金属等异物时,锂离子会立即从短路点附近的LTO中释放出来,随后LTO负极变为绝缘体(高阻相),防止产生过大的短路电流,抑制电池热失控。这就是LTO负极电池的自我?;すδ?。

          ●LTO负极的优点(3):快速充电、低温性能

          即使快速充电的情况下,LTO负极上析出金属锂(枝晶)的可能性也较低。利用这一优势,SCiB?可以实现快速、安全的充电,只需充电3分钟即可达到80%的电量。此外,即使在-20℃的低温下进行充电实验,LTO负极也不会析出枝晶,因此可以反复充/放电,并且几乎不会导致容量减少。

          ●LTO负极的优点(4):充放电时的体积变化非常小,可确保使用寿命

          随着锂离子的吸藏和释放,普通锂离子电池的体积会发生5~15%的变化。这种物理体积的变化会损害材料,导致容量降低、寿命缩短。对此,SCiB?采用的LTO负极材料具有非常稳定的尖晶石型结构,体积几乎不会随锂离子吸藏和释放而产生变化。在环境温度为35℃的条件下进行的实验中也证实了这一点,经过2万多次充放电后,容量仍保持在90%以上。

          ●与普通锂离子电池的性能比较

          综上所述,SCiB?性能出众,优势明显。与普通锂离子电池相比,SCiB?的电池电压较低、充放电循环寿命长、工作温度和可充电温度优异,且总体拥有成本更低。

          LTO电池与普通锂离子电池的比较

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