富士通實驗室(Fujitsu Laboratories Ltd.)宣布開發(fā)出磷酸鐵鋰可充電電池的正極材料，這種新材料提供了過去僅在鈷基材料才能實現(xiàn)的高電壓。目前，稀有金屬鈷是大容量電動汽車(EV)以及家用蓄電池的高壓鋰充電電池的陰極材料。

　　隨著可再充電鋰離子電池應用日廣，其中的關鍵材料鈷的供給和成本問題也令廠商十分擔憂。鋰離子電池已經(jīng)被眾多需要充電電池的設備采用，如快速成長中的電動汽車，需要大容量鋰子電池以滿足不同國家對低碳排放的要求。因而對鈷材料的供應短缺問題開啟了替代材料的研發(fā)熱潮。

　　研究人員對廉價的鐵相當感興趣，但過去鐵無法提供與鈷基材料相當?shù)碾妷骸６皇客ㄘ斄洗舜伟l(fā)現(xiàn)了能改善鐵基材料電壓的新因素。通過使用專利材料設計技術(shù)以及精確控制原料成分和材料形成過程的技術(shù)，該公司表示已成功合成了焦磷酸鐵鋰(Li5.33Fe5.33(P2O7)4)。

　　這種焦磷酸材料具有3.8V的電壓，與現(xiàn)有的鈷基材料相當。該公司表示，通過推進能夠長時間保持高電壓狀態(tài)的新型晶體結(jié)構(gòu)設計，開發(fā)了能量密度與鈷基材料相當?shù)男滦筒牧?，有助于降低鋰離子可充電電池及使用這些電池的設備的成本。

　　過去，開發(fā)鐵基材料的最大瓶頸在于它們都無法達到使用與鈷基材料相當?shù)哪芰棵芏?。能量密度是容量密度和電壓的乘積，因而電壓在2.8V-3.5V的鐵基材料無法與電壓范圍為3.75V-4.1V的鈷基材料競爭。陰極材料的電壓可根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)中原子的排列方式而變化，這就產(chǎn)生了鐵基材料的高電壓發(fā)展問題。

　　改變結(jié)構(gòu)

　　為了解決這些問題，富通表示，通過分析鐵基材料的晶體結(jié)構(gòu)與其電化學特性的相關性，該公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了提高鐵基材料電壓的新因素。利用專有材料設計技術(shù)和精確控制原料成分和材料形成過程的技術(shù)，富士通合成了焦磷酸鐵鋰，這種磷酸鹽基材料具有3.8V的電壓，與現(xiàn)有的鈷基材料相當。

圖1：新材料的晶體結(jié)構(gòu)。(圖片來源：富士通實驗室)
 

　　在晶體中，鐵、氧等元素的配位對陰極材料的電壓有很大影響。通過分析材料晶體結(jié)構(gòu)與電化學特性的相互關系，富士通發(fā)現(xiàn)了改善鐵基正極材料電壓的新因素。事實上，人們發(fā)現(xiàn)，圍繞在鐵原子周圍的氧原子的扭曲排列，正是高電壓的關鍵因素之一。

　　通過控制原料的配位和材料形成技術(shù)，富士通實驗室合成了新的磷酸鐵基材料，并已建構(gòu)一個鈕扣電池原形。其電化學性能的評估結(jié)果表明其可達到3.8V電壓，同時也較此前研發(fā)的磷酸鐵鋰材料具備更高電壓。這個原型電池的充電容量約為105 mAh/g，約占139mAh/g (Li5.33Fe5.33(P2O7)4) 理論值的75%)，或?qū)嶋H值137mAh/g(LiCoO 2)

圖2：鈕扣電池原型。(圖片來源：富士通實驗室)
 

　　新開發(fā)的陰極材料在能量密度方面尚未能與現(xiàn)有鈷基材料電壓相等。盡管如此，它已經(jīng)為提高鐵基材料的電壓鋪平了道路，解決了研發(fā)障礙。此外，鈷基陰極材料可用于電動車鋰離子電池以及智能電話和數(shù)碼相機等消費電子設備的充電電池。若能開發(fā)與鈷基材料相同的能量密度，則可以利用鐵來取代稀有金屬鈷，將能有效降低電池的生產(chǎn)成本。另外，富士通也透露正在開發(fā)一種能讓鈷基材料維持更長電壓時間的晶體結(jié)構(gòu)。

圖3：原型電池的電壓和放電深度。(圖片來源：富士通實驗室)