富士通开发低成本、无钴的锂电池新材料

　　富士通实验室(Fujitsu Laboratories Ltd.)宣布开发出磷酸铁锂可充电电池的正极材料，这种新材料提供了过去仅在钴基材料才能实现的高电压。目前，稀有金属钴是大容量电动汽车(EV)以及家用蓄电池的高压锂充电电池的阴极材料。

　　随着可再充电锂离子电池应用日广，其中的关键材料钴的供给和成本问题也令厂商十分担忧。锂离子电池已经被众多需要充电电池的设备采用，如快速成长中的电动汽车，需要大容量锂子电池以满足不同国家对低碳排放的要求。因而对钴材料的供应短缺问题开启了替代材料的研发热潮。

　　研究人员对廉价的铁相当感兴趣，但过去铁无法提供与钴基材料相当的电压。而富士通财料此次发现了能改善铁基材料电压的新因素。通过使用专利材料设计技术以及精确控制原料成分和材料形成过程的技术，该公司表示已成功合成了焦磷酸铁锂(Li5.33Fe5.33(P2O7)4)。

　　这种焦磷酸材料具有3.8V的电压，与现有的钴基材料相当。该公司表示，通过推进能够长时间保持高电压状态的新型晶体结构设计，开发了能量密度与钴基材料相当的新型材料，有助于降低锂离子可充电电池及使用这些电池的设备的成本。

　　过去，开发铁基材料的最大瓶颈在于它们都无法达到使用与钴基材料相当的能量密度。能量密度是容量密度和电压的乘积，因而电压在2.8V-3.5V的铁基材料无法与电压范围为3.75V-4.1V的钴基材料竞争。阴极材料的电压可根据晶体结构中原子的排列方式而变化，这就产生了铁基材料的高电压发展问题。

　　改变结构

　　为了解决这些问题，富通表示，通过分析铁基材料的晶体结构与其电化学特性的相关性，该公司已经发现了提高铁基材料电压的新因素。利用专有材料设计技术和精确控制原料成分和材料形成过程的技术，富士通合成了焦磷酸铁锂，这种磷酸盐基材料具有3.8V的电压，与现有的钴基材料相当。

图1：新材料的晶体结构。(图片来源：富士通实验室)
 

　　在晶体中，铁、氧等元素的配位对阴极材料的电压有很大影响。通过分析材料晶体结构与电化学特性的相互关系，富士通发现了改善铁基正极材料电压的新因素。事实上，人们发现，围绕在铁原子周围的氧原子的扭曲排列，正是高电压的关键因素之一。

　　通过控制原料的配位和材料形成技术，富士通实验室合成了新的磷酸铁基材料，并已建构一个钮扣电池原形。其电化学性能的评估结果表明其可达到3.8V电压，同时也较此前研发的磷酸铁锂材料具备更高电压。这个原型电池的充电容量约为105 mAh/g，约占139mAh/g (Li5.33Fe5.33(P2O7)4) 理论值的75%)，或实际值137mAh/g(LiCoO 2)

图2：钮扣电池原型。(图片来源：富士通实验室)
 

　　新开发的阴极材料在能量密度方面尚未能与现有钴基材料电压相等。尽管如此，它已经为提高铁基材料的电压铺平了道路，解决了研发障碍。此外，钴基阴极材料可用于电动车锂离子电池以及智能电话和数码相机等消费电子设备的充电电池。若能开发与钴基材料相同的能量密度，则可以利用铁来取代稀有金属钴，将能有效降低电池的生产成本。另外，富士通也透露正在开发一种能让钴基材料维持更长电压时间的晶体结构。

图3：原型电池的电压和放电深度。(图片来源：富士通实验室)