日產(chǎn)汽車與日產(chǎn)ARC日前宣布，開發(fā)出了一種分析方法，可直接觀察鋰離子電池充放電時正極材料中的電子運(yùn)動作并定量化。采用此方法，“使得高容量鋰離子電池的開發(fā)成為可能，從而有助于延長純電動汽車(EV)的續(xù)航距離”(日產(chǎn)汽車)(圖1)。

圖1 日產(chǎn)汽車將于2014年量產(chǎn)的商用EV“e-NV200”。圖為設(shè)計造型被西班牙巴塞羅那出租車選中的試制車。

要開發(fā)容量高、壽命長的鋰離子電池，必須在電極活性物質(zhì)中盡量多儲存鋰，進(jìn)行可產(chǎn)生大量電子的材料設(shè)計。為此，掌握電池中的電子運(yùn)動十分重要，而以前的分析技術(shù)無法直接觀察電子的運(yùn)動。因此，無法定量識別電極活性物質(zhì)(錳(Mn)、鈷(Co)、鎳(Ni)、氧(O)等)中什么元素可在多大程度上釋放了電子。

此次開發(fā)的分析方法，使得長期存在的課題——探明充放電時電流的起源并定量把握，“全球首次”獲得了解決(日產(chǎn)汽車)。由此，可準(zhǔn)確掌握電池內(nèi)部發(fā)生的現(xiàn)象，尤其是正極材料含有的活性物質(zhì)的運(yùn)動狀況。此次的成果是由日產(chǎn)ARC與東京大學(xué)、京都大學(xué)、大阪府立大學(xué)共同開發(fā)的。

使用“地球模擬器”

此次開發(fā)的分析方法，同時運(yùn)用了使用“L吸收端”的“X射線吸收分光法”和使用超級計算機(jī)“地球模擬器”的“第一原理計算法”。盡管以前也有人采用X射線吸收分光法實(shí)施過鋰離子電池分析，但使用“K吸收端”為主流。配置在距離原子核最近的K殼層的電子被束縛在原子內(nèi)，因此電子并沒有直接參與充放電。

此次的分析方法因采用了利用L吸收端的X吸收分光法，可以直接觀察參與電池反應(yīng)的電子流動。并且，通過與使用地球模擬器的第一原理計算法相結(jié)合，以高精度獲得了以前只能間接推斷的電子移動量。

日產(chǎn)ARC將此分析方法用于分析鋰過剩型正極材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，(1)在高電位狀態(tài)下，屬于氧的電子有益于充電反應(yīng)；(2)在放電時，屬于錳的電子有益于放電反應(yīng)。