硅负极锂离子电池

硅负极锂离子电池

日立麦克赛尔开发出了通过负极采用硅类材料，容量可比该公司原产品提高10％的锂离子充电电池。首先将从2010年6月开始面向智能手机供货方形单元。

“实用化花了10年时间”（日立麦克赛尔开发本部电池开发中心新一代锂系电池组主任技师山田将之）。作为锂离子充电电池实现高容量化的王牌一直备受关注的硅类负极材料终于实现了实用化。

日立麦克赛尔没有公布单元容量，不过面向智能手机提供的方形单元（外形尺寸为4.9mm×42mm×61mm）为1500mAh，由此可以推断新产品的单元容量提高到了1650mAh 左右。日立麦克赛尔移动电池事业部市场开拓部部长岩本章自信地表示，在智能手机领域，“计划获得20～30％的市场份额”。

图1：与原产品几乎相同的放电曲线与原产品相比，将容量提高10％，同时将放电

曲线设计为与原产品几乎相同。图由本站根据日立麦克赛尔的资料制作。

图2：高输出功率下的放电特性优异新产品与原产品相比，在放电率较高时也能维

持高容量，具有优异的高输出特性。图由本站根据日立麦克赛尔的资料制作。

放电曲线与原来相同

新产品的最大特点是，具有与原有锂离子充电电池几乎相同的放电曲线，并且实现了高容量化（图1）。由于充电电压和工作电压与原来的锂离子充电电池相同，因此产品厂商无需改变产品的电源系统即可利用。

如果采用普通的硅类材料，与原来相比单元电压会降低，因此需要通过降低终止电压的方法来实现高容量化。为此，产品厂商需要使产品实现能以低电压驱动的电源系统，这就需要大幅改变部件等的设计。另外，在智能手机等手机中，由于放大器等的效率较低，降低电压还需要使用电阻。

市场迅速扩大的智能手机因其大屏幕多功能而导致耗电量增加，用户对于电池经常没电意见较大。迅速提高电池容量的需求越来越高。日立麦克赛尔无需改变电源系统的新产品正好满足了这种需求。该公司为了与原来的锂离子充电电池实现相同的充电电压和工作电压，还改进了正极材料和电解液。

新产品不但容量大，大电流下的充放电特性也十分出色。充电时间可比原产品缩短约30％。放电方面，即使在2.5C的放电率下容量也不会降低，可用于高输出产品（图2）注1）。

注1） 1C表示1小时的充放电。例如，1650mAh单元的2.5C放电率以约4A的电流放电。

混合SiO-C复合体和石墨

此次的负极材料混合了硅类材料和石墨。本来，硅与原产品中使用的石墨相比，理论上单位重量的容量可提高至约10倍。但由于体积受充放电影响的变化较大，电极构造会受到破坏，因此充放电循环寿命较短，此前很难实现实用化。

日立麦克赛尔在非晶SiO2内分散了粒径仅为3nm左右的硅。另外，为提高导电性，采用了利用碳包覆SiO2的SiO-C复合体（图3）。实际上，SiO-C复合体随着初期充电，非晶SiO2会变成锂与硅的化合物硅酸锂，具有锂离子的传导性，可在SiO-C复合体内的硅中脱插锂离子。

图3：混合SiO-C复合体和石墨

负极采用日立麦克赛尔量产的硅类材料的单元混合了SiO-C复合体和石墨（a）。

SiO-C将nm级的硅分散到非晶SiO2的构造体内（b）。图由本站根据日立麦克赛尔

的资料制作。

硅在充电后变成Li4.4Si，放电后又复原为硅。充放电导致的体积膨胀及缩小可利用SiO-C 复合体缓解，即使反复充放电“硅也不会出现裂纹”（日立麦克赛尔的山田）。因此，实现了与原产品相同的充放电循环寿命。

负极材料的容量方面，与仅使用石墨时相比，此次单位重量的容量约增加20％。SiO-C 的含量目前还不太高，预计今后通过增加其含量可实现高容量化。价格方面，由于无需改变单元的制造工序，如果容量相同，价格便可与原产品大致相同。

今后，日立麦克赛尔计划除了高容量产品外，在方形单元通用产品的负极材料中也混合

SiO-C。该公司的方针是，在减少通用产品高价正极材料的用量以降低成本的同时，采用此次的负极材料保持容量。