鋰電池
鋰離子充電電池自20世紀90年代初正式實用化以來，在不到20年的時間里，容量快速增加，市場迅速增長。估計今后將從便攜產品用途擴展到電動車輛及環保蓄電等領域。
針對鋰離子電池的現狀與課題以及今后的發展方向，記者采訪了從實用化之前的研究階段開始長年從事開發、被譽為鋰電池之父的原索尼業務執行董事首席常務西美緒。
問：鋰離子充電電池的用途是如何拓展起來的？
西：在20世紀90年代的導入期，我們曾把家用攝像機及MD播放器等AV產品作為鋰離子充電電池的應用目標。但當時僅靠很小的產量就完全能夠滿足市場，根本沒預料到這種電池會成為主流產品。
但是，不久筆記本電腦開始使用鋰離子充電電池，從此市場開始迅速擴大。據悉當時某電腦廠商打出了“在從美國紐約到洛杉磯的5小時飛行行程中無需充電”的宣傳廣告起了很大作用。從普及期到興盛期，推動鋰離子充電電池發展的是筆記本電腦，然后是手機。
進入21世紀，鋰離子電池開始被數碼相機、電動工具（Power Tool）及游戲機等采用。今后面對建設低碳化社會的時代要求，估計今后其用途將向混合動力汽車、電動汽車、產業和家用固定型電源等擴展。
鋰離子充電電池伴隨著技術的發展，其能量密度在逐年增加。確保安全性的措施也得以積累。這些措施都為市場擴大做出了貢獻。
問：提高能量密度的關鍵是什么？今后能量密度還會提高嗎？
西：要提高電池的能量密度，有兩種方法。一是削減對產生電力沒有貢獻的部材，比如減薄正負極的集電體及隔膜、減少粘結劑及導電輔助材料等。總之，是通過電池設計來提高。但這種做法存在極限。
另一種方法是增大電極活性物質（正負極）的單位重量或者單位體積的容量。有關的材料開發長期以來一直都在進行之中。正極的LiCoO2從啟動鋰離子充電電池開始便以幾乎接近理論極限的容量使用，電池容量的改善完全依賴負極的性能。
比如，最初的鋰離子充電電池的負極采用碳（焦碳），其能力為250mAh/g左右，初期充放電效率不過80％左右。而現在的負極用碳（石墨）的能力無限接近理論容量的372mAh/g，初期效率也超過了95％。能量密度也分別由初期的200Wh/kg、80Wh/kg增至現在的600Wh/kg、220Wh/kg。
但是，在負極使用碳（石墨）的條件下，電池容量現在已幾乎達到理論極限，所以當務之急是開發新一代負極。候補材料有錫（Sn）和硅（Si），前者的理論容量是石墨的3倍，后者更是在石墨的10倍以上。
另一方面，正極活物質在容量方面基本未取得進步。容量比LiCoO2高的正極有LiNiO2，預計正極容量會增加10～20％。但是，LiNiO2在安全問題非常多，基本上未被采用。
最近，部分產品采用了將鋰離子充電電池的電壓提高到4.2V以上、比如4.4 V，放電電流值相同而能源容量（Wh）增大的正極材料。
如上所述，至少從負極來看，從材料方面不斷提高容量是沒錯的。
問：提高能量密度時，應該注意什么問題？
西：使用方的要求不一定僅限于容量。有些用途重視輸出特性，比如電動工具，而人造衛星用輔助電源側重于循環特性。有時要求循環次數要達到15萬次，比電腦電池要多得多。
必須掌握滿足上述要求的材料和設計方法。當然，所有性能均出色的電池是不存在的。要根據重視什么性能，來決定使用什么電池材料和采用什么設計。
并且，不僅要滿足上述多種要求，在安全性這一重要且不可或缺的要素方面也必須達標。因此，需要綜合考慮造成安全因素與材料的哪些性質有關以及如何開發減少這些因素的材料等。
比如，如果像上面提到的以Si為負極的話，負極容量可達到碳材料的10倍以上，但同時還要考慮其他特性（比如負荷特性和循環特性）和安全性。另外，如果采用Si，正極沿用原來的材料，為了與負極保持平衡，需要將正極活物質涂布厚度增至10倍。但實際上，這是不可能的。
如此看來，只是單獨改進負極，并不能改善電池本身的特性，同時還需要重新考慮正極、電解液及隔膜等所有材料。
最后確保安全性的難題擺在開發者面前。電池是將高能量密閉在有限的狹小空間內。而使用時一點點緩慢地釋放出能量。但是，有時因某種原因導致能量一下子釋放出來。就會造成事故。
容量越大，可集中釋放的能量越大，因此危險度更高。因此能量密度越大，安全措施就越重要。
提高能源容量時，開發與之相應的安全措施至關重要。
問：安全措施的關鍵是什么？
西：上面已經說過，由于能量密度越高，危險度越大，因此安全問題就越發重要。
事故原因并不是單一的。需要準確掌握正極活性物質、負極活性物質、電解液、隔膜及粘結劑等所有材料在充放電過程的舉動及其影響安全性的機理等。
最近，成本競爭越來越激烈，銷售方對技術方及生產現場提出的降低成本的要求越來越高。雖然可以想到換成便宜材料及縮短制造周期等方法，但技術方面要弄清這些對電池性能、尤其安全性會造成什么影響，保持不能讓步的地方絕不妥協的姿態。
另一方面，令人擔心的是并非不存在使用方不按照電池設計者指定的使用方法應用的情況。我還聽說過，由于機器制造方強烈要求實現快速充電，在其誘惑下，充電設計超過4.2V極限電壓的現象也開始出現。
在鋰離子充電電池導入期，電池技術人員與營業人員一起向使用方的技術人員做介紹，明確告訴對方什么能做、什么不能做。而現在銷售是營業主導，這種場面越來越少。
問：年輕技術人員如何提高實力？
西：鋰離子充電電池與原來的電池不同，除電氣化學以外，材料方面的知識面也要廣。其中包括有機化學（電解液、粘結劑、隔膜）、高分子化學（隔膜、粘結劑、凝膠電解質）、金屬（正負極集電體）、陶瓷（正極活物質）、碳材料（負極）等。
并且，鋰離子充電電池應用的領域很廣，使用方法（充放電條件）也多種多樣，因此還需要了解應用機器的大致情況。因此，不能把自己封閉在“我是正極專家”這樣的狹小區域內。在掌握了廣泛的知識（即使淺嘗輒止也可以）以后，應該建立專業領域。
問：請您介紹一下行業體制中存在的問題。
西：我希望電池廠商不要忘記相對于成本更要重視品質和安全性的原則。否則，不管怎么提高能量密度以及輸出特性，最終都將變成海市蜃樓。
希望使用鋰離子充電電池的產品制造方要與電池技術人員深入交流，學習更多鋰離子充電電池的使用方法。當然，這個問題不僅機器制造方，電池設計方也要注意。
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