2019年(nián)諾貝爾化學獎授予了吉野彰、約翰·古德納夫和斯坦利·威廷漢三位科學家(jiā)。這三位諾獎得(dé / de / děi)主獲獎的研究項目均與“锂離子電池研發(fā／fà)技術”有關。
鮮爲人知的是，在古德納夫的研究過(guò)程中，東芝高級研究員水島公一也發(fā／fà)揮了極大的作用(yòng)。當時，在東京大學擔任助教水島在約翰·古德納夫的指導下(xià)，從事(shì)大容量锂離子電池正極材料的研究工作。在研究過(guò)程中水島發(fā／fà)現钴酸锂作爲材料的性能(néng)表現優異。這一發(fā／fà)現爲今天(tiān)實際使用(yòng)的锂離子電池的基本結構做出了重大貢獻。爲此，東芝也爲水島頒發(fā／fà)了特别獎，以表彰他的卓越功績。
株式會(huì)社東芝CEO兼董事(shì)長車谷暢昭（圖右 時任）爲東芝高級研究員水島公一（圖左）頒發(fā／fà)特别獎
如(rú)今，爲應對(duì)日益加劇的全球變暖問題，加速推進汽車電動化乃當務之急。如(rú)果電動汽車電池的高能(néng)量輸入、輸出、壽命等問題可(kě)以得(dé / de / děi)到更好的解決，便能(néng)更好的得(dé / de / děi)到應用(yòng)，爲減少碳排放做出貢獻。因此，人們現在對(duì)锂離子電池的前景寄予厚望，希望它能(néng)夠幫助實現可(kě)持續發(fā／fà)展目标(SDGs)。
锂離子電池的性能(néng)要(yào / yāo)求及實現方式
锂離子電池的能(néng)量密度較高，具有體積小、重量輕、電壓高、容量大、充放電循環次數多等優點，人們期待着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)更優秀的锂離子電池的出現能(néng)更好地助力電動汽車的發(fā／fà)展。
但是，爲使锂離子電池更好的應用(yòng)還需要(yào / yāo)攻克諸多課題。
不同的用(yòng)途，對(duì)锂離子電池的性能(néng)要(yào / yāo)求也不同
在實現大容量和高能(néng)量密度方面，電池能(néng)夠儲存的能(néng)量越多，異常情況下(xià)發(fā／fà)生(shēng)嚴重事(shì)故的可(kě)能(néng)性也就(jiù)越高。爲此，需要(yào / yāo)對(duì)锂離子電池實行(háng / xíng)嚴格的質量管理制度，例如(rú)防止在生(shēng)産過(guò)程中混入異物等。特别在工業領域應用(yòng)，不僅需要(yào / yāo)确保在惡劣環境下(xià)使用(yòng)時的安全可(kě)靠性，而(ér)且通常對(duì)工業設備中的锂電池進行(háng / xíng)更換操作比較難，還需要(yào / yāo)确保電池的穩定性。
東芝提出的新型锂離子電池方案
東芝SCiB™锂離子電池使用(yòng)钛酸锂(LTO)作爲負極材料，在滿足容量大、能(néng)量密度高需求的同時，還具有安全性高、壽命長、低溫性能(néng)好、有效SOC※1範圍大、快速充電、高輸入輸出功率等優點。可(kě)應用(yòng)于(yú)電動汽車、固定式/工業用(yòng)電池等場景。
※1：SOC（荷電狀态）。SCiBTM在SOC廣泛的運行(háng / xíng)範圍内具有高輸入輸出功率特性，可(kě)以在0%～100%的SOC範圍内使用(yòng)。
●LTO負極的優點（1）：理論上不會(huì)析出金屬锂，内部短路風險較低
锂離子電池因性能(néng)劣化和内部短路而(ér)誘發(fā／fà)起火事(shì)故常有發(fā／fà)生(shēng)。造成這些問題的原因是負極析出的樹枝狀金屬锂，也被稱爲枝晶（樹突）。當這種枝晶生(shēng)長穿過(guò)隔膜到達正極時，内部就(jiù)會(huì)發(fā／fà)生(shēng)短路，導緻電池起火。
負極析出樹枝狀金屬锂
當負極的電位因超過(guò)電壓而(ér)變爲0伏(V)時，就(jiù)會(huì)析出枝晶。在普通锂離子電池的石墨負極中，由于(yú)吸藏※2锂離子的電位爲0.1V，接近0V，因此在稍微施加過(guò)電壓的狀态下(xià)(快速充電或在低溫環境中充電等)，析出枝晶的可(kě)能(néng)性就(jiù)會(huì)增加。另一方面，在SCiB™采用(yòng)的LTO負極中，由于(yú)吸藏放電電位爲1.5V和0V，可(kě)保證足夠的裕度，理論上，枝晶析出的可(kě)能(néng)性很小。
※2：吸藏指锂離子被吸收到固體中的一種現象。
●LTO負極的優點（2）：一旦發(fā／fà)生(shēng)内部短路，可(kě)啓動自(zì)我保護功能(néng)
LTO具有自(zì)我保護功能(néng)，即使内部發(fā／fà)生(shēng)短路，仍可(kě)确保較高的安全性。LTO雖然是一種絕緣體，但可(kě)通過(guò)吸藏锂離子，作爲電極材料(導電相)。當陰正極之間意外混入金屬等異物時，锂離子會(huì)立即從短路點附近的LTO中釋放出來，随後(hòu)LTO負極變爲絕緣體(高阻相)，防止産生(shēng)過(guò)大的短路電流，抑制電池熱失控。這就(jiù)是LTO負極電池的自(zì)我保護功能(néng)。
●LTO負極的優點（3）：快速充電、低溫性能(néng)
即使快速充電的情況下(xià)，LTO負極上析出金屬锂(枝晶)的可(kě)能(néng)性也較低。利用(yòng)這一優勢，SCiB™可(kě)以實現快速、安全的充電，隻需充電3分鍾即可(kě)達到80%的電量。此外，即使在-20℃的低溫下(xià)進行(háng / xíng)充電實驗，LTO負極也不會(huì)析出枝晶，因此可(kě)以反複充/放電，并且幾乎不會(huì)導緻容量減少。
●LTO負極的優點（4）：充放電時的體積變化非常小，可(kě)确保使用(yòng)壽命
随着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)锂離子的吸藏和釋放，普通锂離子電池的體積會(huì)發(fā／fà)生(shēng)5～15%的變化。這種物理體積的變化會(huì)損害材料，導緻容量降低、壽命縮短。對(duì)此，SCiB™采用(yòng)的LTO負極材料具有非常穩定的尖晶石型結構，體積幾乎不會(huì)随锂離子吸藏和釋放而(ér)産生(shēng)變化。在環境溫度爲35℃的條件下(xià)進行(háng / xíng)的實驗中也證實了這一點，經過(guò)2萬多次充放電後(hòu)，容量仍保持在90%以上。
●與普通锂離子電池的性能(néng)比較
綜上所(suǒ)述，SCiB™性能(néng)出衆，優勢明顯。與普通锂離子電池相比，SCiB™的電池電壓較低、充放電循環壽命長、工作溫度和可(kě)充電溫度優異，且總體擁有成本更低。
LTO電池與普通锂離子電池的比較
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