東京農工大學以超離心處理技術提高鋰離子充電電池用電極材料性能

東京農工大學研究生院教授直井騰彥在與AABC 2010并設的會議“Large EC Capacitor Technologyand Applicatons（ECCAP）”上，以“NANOHYBRIDCAPACITOR”為題作了演講。直井研究室利用一種機械力化學處理方法，在離心力場中以溶膠-凝膠（Sol-gel）法制造材料的“超離心處理技術”，開發出了采用復合負極材料的鋰離子電容器。

具體說來，就是制做了鈦酸鋰（LTO）和碳納米纖維（CNF），或是LTO和單層碳納米管（SGCNT）的復合材料。據稱，采用CNF的鋰離子電容器實現的能量密度，約為原雙電層電容器3倍，約為采用SGCNT時的4.5倍。

直井研究室發現采用該超速離心處理技術，可以在碳上負載粒徑非常小的金屬氧化物，不僅是電容器的負極材料，還開始向鋰離子充電電池的電極材料擴展。例如，已經試制了分別將正極材料磷酸鐵鋰（LiFePO4）和負極材料氧化錫（SnO2）內包在碳素材料中的電極材料。據介紹，將LiFePO4內包在中空狀的碳材料中，盡管LiFePO4的導電性非常低，但在60C（1分鐘）放電時實現了131mAh/g的比容量（圖A-1）。因此認為，將LiFePO4內包在碳材料中，可以形成導電網絡，所以有可能提高輸出功率。

而負極材料雖然有望提高容量，但由碳素材料內包了此前因充放電時的體積變化而導致充放電循環壽命較短的SnO2（圖A-2）。利用對這種負極材料與正極材料使用鈷酸鋰（LiCoO2）的單元進行試驗的結果，發現800次循環以后比容量仍為693mAh/g，未出現容量劣化。直井認為，“SnO2和碳的比例很重要，如果將該比例控制在某一范圍內，800次循環后SnO2后也不會出現裂縫等老化現象”。

此開發由直井研究室與該研究生院的“電容器技術講座”（日本Chemi-Con的贊助講座）擔任。因此，日本Chemi-Con將盡快考慮投產采用超離心處理技術的高性能鋰離子充電電池。

圖A-1：實現了LiFePO4的高輸出功率

直井研究室開發出了將LiFePO4內包在碳材料中的電極材料（a）。通過將導電性較低的LiFePO4內包在碳材料中，可以形成導電網絡，因而可提高輸出功率（b）。

圖A-2：Sn合金類負極材料的循環壽命特性得以提高

對負極材料，在碳材料中內包了SnO2。利用對該負極材料與正極材料使用LiCoO2的單元進行了試驗，結果發現800次循環以后比容量仍為693mAh/g，未出現容量劣化。