2014年07月24日08:29
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東京大學研究生院水野哲孝教授的研究小組與日本觸媒公司共同開發出了採用新原理的二次電池，在正極利用氧化物離子與過氧化物離子之間的氧化還原反應。該研究小組查明，在正極利用在Li2O（氧化鋰）晶體內添加Co（鈷）形成的物質時，充放電反應中就會有過氧化物生成和消失，由此實現了新原理的電池系統。這種電池的能源密度達到了現行鋰離子二次電池的7倍，而且還可增加容量，降低價格，提高安全性。有望作為EV（純電動汽車）用途及固定蓄電用途的新一代二次電池。
通常鋰離子二次電池在正極使用的是LiCoO2（鋰鈷氧化物）等容易產生鋰離子嵌入/脫離的過渡金屬氧化物。由於是由分子量較大的過渡金屬來擔負氧化還原作用的，所以單位重量的能量密度及容量無法太大。而且鋰的價格也很高，因此還存在減少鋰的使用量以降低成本的要求。
而此次的新一代二次電池研究的是在正極利用O2（氧氣）分子的氧化還原反應的鋰空氣電池，理論上可實現最大的能量密度。但這種電池也存在諸多問題，比如放電反應產生的Li2O2（過氧化鋰）等會導致正極阻塞﹔由於是開放結構，因此空氣中的水分及CO2（二氧化碳）容易混入，造成電極和電解液劣化﹔反應中生成的活性氧類物質會導致有機電解液不穩定，等等。因此，一直未能真正投入實用。
此次東大和日本觸媒開發的電池在正極利用Li2O與Li2O2之間的氧化還原反應，在負極利用金屬鋰的氧化還原反應，兩電極活性物質的單位重量的理論容量為897mAh/g，電壓為2.87V，理論能量密度為2570Wh/kg（圖1）。按兩電極活性物質的單位重量計算，能量密度達到370Wh/kg，與使用LiCoO2正極和石墨負極的現行鋰離子二次電池相比，約為后者的7倍。這種新型電池的理論能量密度雖然不及鋰空氣電池的3460Wh/kg，但與目前的鋰離子二次電池一樣採用密閉結構，因此可靠性及安全性出色。
此次，研究小組使用行星式球磨機在Li2O晶體結構內添加了鈷，將其用作正極活性物質。經証實，使用這種正極可實現氧化物與過氧化物間的氧化還原反應可逆的電池系統（圖2）。同時還實施了過氧化物的定量分析，確認充電反應時正極中有過氧化物生成，放電反應時正極中的過氧化物消失，而且這種反應能夠反復發生。此外還確認在能夠可逆充放電的范圍內沒有O2及CO2產生，正極能夠實現容量為200mAh/g的反復充放電，同時支持大電流快速充放電。另外，此次使用的正極與現行鋰離子二次電池使用的LiCoO2相比，鈷的重量比較小，有望降低原料成本。（作者：?田 基彥，日經技術在線！供稿）
