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

鮮為人知的是，在古德納夫的研究過程中，東芝高級(jí)研究員水島公一也發(fā)揮了極大的作用。當(dāng)時(shí)，在東京大學(xué)擔(dān)任助教水島在約翰·古德納夫的指導(dǎo)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(shí)際使用的鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)做出了重大貢獻(xiàn)。為此，東芝也為水島頒發(fā)了特別獎(jiǎng)，以表彰他的卓越功績。

株式會(huì)社東芝CEO兼董事長車谷暢昭（圖右 時(shí)任）為東芝高級(jí)研究員水島公一（圖左）頒發(fā)特別獎(jiǎng)

如今，為應(yīng)對(duì)日益加劇的全球變暖問題，加速推進(jìn)汽車電動(dòng)化乃當(dāng)務(wù)之急。如果電動(dòng)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(yīng)用，為減少碳排放做出貢獻(xiàn)。因此，人們現(xiàn)在對(duì)鋰離子電池的前景寄予厚望，希望它能夠幫助實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs)。

鋰離子電池的性能要求及實(shí)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(diǎn)，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(dòng)汽車的發(fā)展。

但是，為使鋰離子電池更好的應(yīng)用還需要攻克諸多課題。

不同的用途，對(duì)鋰離子電池的性能要求也不同

在實(shí)現(xiàn)大容量和高能量密度方面，電池能夠儲(chǔ)存的能量越多，異常情況下發(fā)生嚴(yán)重事故的可能性也就越高。為此，需要對(duì)鋰離子電池實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量管理制度，例如防止在生產(chǎn)過程中混入異物等。特別在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，不僅需要確保在惡劣環(huán)境下使用時(shí)的安全可靠性，而且通常對(duì)工業(yè)設(shè)備中的鋰電池進(jìn)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(fù)極材料，在滿足容量大、能量密度高需求的同時(shí)，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(diǎn)?？蓱?yīng)用于電動(dòng)汽車、固定式/工業(yè)用電池等場(chǎng)景。

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

●LTO負(fù)極的優(yōu)點(diǎn)（1）：理論上不會(huì)析出金屬鋰，內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)較低

鋰離子電池因性能劣化和內(nèi)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(fù)極析出的樹枝狀金屬鋰，也被稱為枝晶（樹突）。當(dāng)這種枝晶生長穿過隔膜到達(dá)正極時(shí)，內(nèi)部就會(huì)發(fā)生短路，導(dǎo)致電池起火。

負(fù)極析出樹枝狀金屬鋰

當(dāng)負(fù)極的電位因超過電壓而變?yōu)?伏(V)時(shí)，就會(huì)析出枝晶。在普通鋰離子電池的石墨負(fù)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(huì)增加。另一方面，在SCiB?采用的LTO負(fù)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(fù)極的優(yōu)點(diǎn)（2）：一旦發(fā)生內(nèi)部短路，可啟動(dòng)自我保護(hù)功能

LTO具有自我保護(hù)功能，即使內(nèi)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(dǎo)電相)。當(dāng)陰正極之間意外混入金屬等異物時(shí)，鋰離子會(huì)立即從短路點(diǎn)附近的LTO中釋放出來，隨后LTO負(fù)極變?yōu)榻^緣體(高阻相)，防止產(chǎn)生過大的短路電流，抑制電池?zé)崾Э亍＿@就是LTO負(fù)極電池的自我保護(hù)功能。

●LTO負(fù)極的優(yōu)點(diǎn)（3）：快速充電、低溫性能

即使快速充電的情況下，LTO負(fù)極上析出金屬鋰(枝晶)的可能性也較低。利用這一優(yōu)勢(shì)，SCiB?可以實(shí)現(xiàn)快速、安全的充電，只需充電3分鐘即可達(dá)到80%的電量。此外，即使在-20℃的低溫下進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，LTO負(fù)極也不會(huì)析出枝晶，因此可以反復(fù)充/放電，并且?guī)缀醪粫?huì)導(dǎo)致容量減少。

●LTO負(fù)極的優(yōu)點(diǎn)（4）：充放電時(shí)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(huì)發(fā)生5～15%的變化。這種物理體積的變化會(huì)損害材料，導(dǎo)致容量降低、壽命縮短。對(duì)此，SCiB?采用的LTO負(fù)極材料具有非常穩(wěn)定的尖晶石型結(jié)構(gòu)，體積幾乎不會(huì)隨鋰離子吸藏和釋放而產(chǎn)生變化。在環(huán)境溫度為35℃的條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了這一點(diǎn)，經(jīng)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(shì)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