- 單元容量提高到1650mAh左右
- 放電曲線與原來(lái)相同
- 混合SiO-C復(fù)合體和石墨
日立麥克賽爾開發(fā)出了通過(guò)負(fù)極采用硅類材料，容量可比該公司原產(chǎn)品提高10％的鋰離子充電電池。首先將從2010年6月開始面向智能手機(jī)供貨方形單元。
“實(shí)用化花了10年時(shí)間”（日立麥克賽爾開發(fā)本部電池開發(fā)中心新一代鋰系電池組主任技師山田將之）。作為鋰離子充電電池實(shí)現(xiàn)高容量化的王牌一直備受關(guān)注的硅類負(fù)極材料終于實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。
日立麥克賽爾沒有公布單元容量，不過(guò)面向智能手機(jī)提供的方形單元（外形尺寸為4.9mm×42mm×61mm）為1500mAh，由此可以推斷新產(chǎn)品的單元容量提高到了1650mAh左右。日立麥克賽爾移動(dòng)電池事業(yè)部市場(chǎng)開拓部部長(zhǎng)巖本章自信地表示，在智能手機(jī)領(lǐng)域，“計(jì)劃獲得20～30％的市場(chǎng)份額”。
圖1：與原產(chǎn)品幾乎相同的放電曲線與原產(chǎn)品相比，將容量提高10％，同時(shí)將放電曲線設(shè)計(jì)為與原產(chǎn)品幾乎相同。圖由本站根據(jù)日立麥克賽爾的資料制作。
圖2：高輸出功率下的放電特性優(yōu)異新產(chǎn)品與原產(chǎn)品相比，在放電率較高時(shí)也能維持高容量，具有優(yōu)異的高輸出特性。圖由本站根據(jù)日立麥克賽爾的資料制作。
放電曲線與原來(lái)相同 新產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是，具有與原有鋰離子充電電池幾乎相同的放電曲線，并且實(shí)現(xiàn)了高容量化（圖1）。由于充電電壓和工作電壓與原來(lái)的鋰離子充電電池相同，因此產(chǎn)品廠商無(wú)需改變產(chǎn)品的電源系統(tǒng)即可利用。
如果采用普通的硅類材料，與原來(lái)相比單元電壓會(huì)降低，因此需要通過(guò)降低終止電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高容量化。為此，產(chǎn)品廠商需要使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)能以低電壓驅(qū)動(dòng)的電源系統(tǒng)，這就需要大幅改變部件等的設(shè)計(jì)。另外，在智能手機(jī)等手機(jī)中，由于放大器等的效率較低，降低電壓還需要使用電阻。
市場(chǎng)迅速擴(kuò)大的智能手機(jī)因其大屏幕多功能而導(dǎo)致耗電量增加，用戶對(duì)于電池經(jīng)常沒電意見較大。迅速提高電池容量的需求越來(lái)越高。日立麥克賽爾無(wú)需改變電源系統(tǒng)的新產(chǎn)品正好滿足了這種需求。該公司為了與原來(lái)的鋰離子充電電池實(shí)現(xiàn)相同的充電電壓和工作電壓，還改進(jìn)了正極材料和電解液。
新產(chǎn)品不但容量大，大電流下的充放電特性也十分出色。充電時(shí)間可比原產(chǎn)品縮短約30％。放電方面，即使在2.5C的放電率下容量也不會(huì)降低，可用于高輸出產(chǎn)品（圖2）注1）。
注1） 1C表示1小時(shí)的充放電。例如，1650mAh單元的2.5C放電率以約4A的電流放電。
混合SiO-C復(fù)合體和石墨
此次的負(fù)極材料混合了硅類材料和石墨。本來(lái)，硅與原產(chǎn)品中使用的石墨相比，理論上單位重量的容量可提高至約10倍。但由于體積受充放電影響的變化較大，電極構(gòu)造會(huì)受到破壞，因此充放電循環(huán)壽命較短，此前很難實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
日立麥克賽爾在非晶SiO2內(nèi)分散了粒徑僅為3nm左右的硅。另外，為提高導(dǎo)電性，采用了利用碳包覆SiO2的SiO-C復(fù)合體（圖3）。實(shí)際上，SiO-C復(fù)合體隨著初期充電，非晶SiO2會(huì)變成鋰與硅的化合物硅酸鋰，具有鋰離子的傳導(dǎo)性，可在SiO-C復(fù)合體內(nèi)的硅中脫插鋰離子。
圖3：混合SiO-C復(fù)合體和石墨
負(fù)極采用日立麥克賽爾量產(chǎn)的硅類材料的單元混合了SiO-C復(fù)合體和石墨（a）。SiO-C將nm級(jí)的硅分散到非晶SiO2的構(gòu)造體內(nèi)（b）。圖由本站根據(jù)日立麥克賽爾的資料制作。 硅在充電后變成Li4.4Si，放電后又復(fù)原為硅。充放電導(dǎo)致的體積膨脹及縮小可利用SiO-C復(fù)合體緩解，即使反復(fù)充放電“硅也不會(huì)出現(xiàn)裂紋”（日立麥克賽爾的山田）。因此，實(shí)現(xiàn)了與原產(chǎn)品相同的充放電循環(huán)壽命。
負(fù)極材料的容量方面，與僅使用石墨時(shí)相比，此次單位重量的容量約增加20％。SiO-C的含量目前還不太高，預(yù)計(jì)今后通過(guò)增加其含量可實(shí)現(xiàn)高容量化。價(jià)格方面，由于無(wú)需改變單元的制造工序，如果容量相同，價(jià)格便可與原產(chǎn)品大致相同。
今后，日立麥克賽爾計(jì)劃除了高容量產(chǎn)品外，在方形單元通用產(chǎn)品的負(fù)極材料中也混合SiO-C。該公司的方針是，在減少通用產(chǎn)品高價(jià)正極材料的用量以降低成本的同時(shí)，采用此次的負(fù)極材料保持容量
