大阪鈦業(yè)科技公司已開(kāi)始量產(chǎn)銷(xiāo)售作為鋰離子充電電池高容量負(fù)極材料的一氧化硅(SiO)。該公司2012年開(kāi)發(fā)出了負(fù)極材料用SiO，同年8月建成試產(chǎn)工廠，開(kāi)始向部分用戶樣品供貨。
大阪鈦業(yè)科技認(rèn)為智能手機(jī)和平板電腦等便攜終端用鋰離子充電電池將進(jìn)一步高容量化，因此決定開(kāi)展業(yè)務(wù)。
便攜終端用鋰離子充電電池的負(fù)極材料目前使用石墨，石墨的理論容量為372mAh/g，目前實(shí)際已達(dá)到360mAh/g左右，基本接近極限。作為新一代負(fù)極材料，硅和硅合金等硅材料的使用備受期待，不過(guò)硅材料充放電時(shí)的膨脹和收縮嚴(yán)重，壽命是一大課題。
大阪鈦業(yè)科技的負(fù)極材料的特點(diǎn)在于，采用了保持非晶構(gòu)造的SiO。SiO本身沒(méi)有導(dǎo)電性，所以通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)法在SiO粒子周?chē)纬闪颂纪繉?圖1)。
大阪鈦業(yè)科技公司的負(fù)極材料用碳膜(碳涂層)包覆了非晶構(gòu)造的SiO粒子(a)。通過(guò)保持非晶構(gòu)造，充放電時(shí)不容易出現(xiàn)局部膨脹和收縮(b)。(圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)大阪鈦業(yè)科技公司的資料制作)
如果利用具有結(jié)晶性的SiO，充電時(shí)結(jié)晶部分會(huì)集中產(chǎn)生鋰化合物，隨著充放電的進(jìn)行，會(huì)局部產(chǎn)生膨脹和收縮，從而破壞粒子。而該公司的SiO沒(méi)有結(jié)晶序列，所以粒子內(nèi)部很難產(chǎn)生局部膨脹和收縮，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命化。
該公司的SiO負(fù)極容量為1700～1800mAh/g，是石墨的約5倍(圖2)。電池廠商和外部機(jī)構(gòu)已經(jīng)實(shí)施了評(píng)測(cè)，由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所實(shí)施的試驗(yàn)顯示，充放電循環(huán)特性和溫度特性均獲得了良好的結(jié)果。
圖2：可實(shí)現(xiàn)石墨5倍的容量
SiO與石墨相比，負(fù)極容量可擴(kuò)大至5倍。(圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)大阪鈦業(yè)科技公司的資料制作)
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所利用正極材料組合使用磷酸鐵鋰(LiFePO4)的電池單元實(shí)施了多種試驗(yàn)(圖3)。結(jié)果顯示，在60℃的環(huán)境下，10C(6分鐘充電/6分鐘放電)的充放電循環(huán)特性在循環(huán)2700次后與循環(huán)100次后相比，保持了97.5%的容量。溫度特性方面，可在-30℃～120℃之間利用，-30℃下也能放電58%以上的容量。
●圖3：壽命和溫度特性也很出色
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所對(duì)采用大阪鈦業(yè)科技負(fù)極材料的電池單元實(shí)施了評(píng)測(cè)。正極材料組合使用LiFePO4的電池單元在充放電循環(huán)2700次后的容量維持率與循環(huán)100次后相比，獲得了97.5%的出色結(jié)果(a)。溫度特性方面，可在-30℃～120℃的范圍內(nèi)利用(b)。(圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的資料制作)
還存在電壓降低和庫(kù)侖效率的課題
SiO雖然顯示出了良好的結(jié)果，但用于便攜終端等還存在兩大課題。第一，要想采用硅負(fù)極擴(kuò)大容量，需要擴(kuò)大電池的使用電壓范圍。為此，便攜終端用電池的終止電壓需要降低0.5V左右，便攜終端一側(cè)的各電子部件的驅(qū)動(dòng)電壓需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
第二，初始充放電效率低，石墨為90%以上，而SiO還不到80%。因?yàn)镾iO在初次充電時(shí)，負(fù)極形成鋰化合物，從而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大量與充放電無(wú)關(guān)的鋰。作為解決對(duì)策，一般采用通過(guò)正極材料的鋰氧化物補(bǔ)償鋰的方法，但正極材料的容量只有SiO的1/10，所以形成電池時(shí)，正極電極會(huì)比負(fù)極厚很多。
當(dāng)然也可以考慮像鋰離子電容器那樣提前在負(fù)極放入鋰箔的“預(yù)摻雜”等方法，不過(guò)電池廠商需導(dǎo)入新的制造工序，成本負(fù)擔(dān)較大。雖然存在這些課題，但要求解決便攜終端電池待機(jī)時(shí)間短這一課題的消費(fèi)者呼聲高漲，為擴(kuò)大電池容量，電池廠商已開(kāi)始考慮采用SiO。
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