바카라 주소 이온 배터리를위한 고용량 양성 전극을위한 새로운 저렴한 재료 개발

바카라 커뮤니티 [Yoshikawa Hiroyuki 회장] (이하 "AIST")유비쿼터스 에너지 연구 부서[코바야시 테츠히코 (Kobayashi Tetsuhiko) 감독] 전기 장치 연구 그룹 [Tatsumi Kuniaki, Tatsumi Kuniaki 그룹 디렉터] Tabuchi Mitsuharu 최고 연구원 및 Takeuchi Tomonari 최고 연구원바카라 주소 이온 배터리for긍정적 인 물질를 개발했습니다

바카라 주소 이온 배터리는 가벼운 무게와 대용량으로 인해 노트북 컴퓨터 및 디지털 카메라에 사용되지만 주로 전극으로 사용되므로 자원을위한 작은 예비가있는 코발트를 주로 사용하기 때문에 비싸다 하이브리드 차량의 대형 바카라 주소 배터리의 경우 코발트를 사용하지 않는 저렴한 비용과 고용량의 새로운 재료에 대한 수요가있었습니다

이번에는 우리는 주로 저렴한 철과 망간과 화합물을 함유 한 두 가지 새로운 재료를 개발했습니다 이 두 가지 둘 다 코발트를 함유하는 기존 양성 전극 재료의 전하/방전 용량을 초과하지만 티타늄-함유 화합물의 초기 방전 용량은 기존 재료의 15 배 (약 260mAh/g)에 도달했습니다 또한,전류 구동 소결 방법등을 적용하면 출력을 늘릴 수 있습니다 이번에 얻은 양성 전극 재료는 자원이 풍부하고 저렴한 철, 망간 및 티타늄으로 만들어졌으며 하이브리드 차량과 같은 대형 바카라 주소 배터리에 사용하기에 유망합니다

60 ° C에서 탄소 전압 및 충전/방전 용량 MAH/G (Milliampere Hour/Gram) 특성 (대시 라인은 충전 곡선을 보여주고, 실선은 배출 곡선을 보여줍니다) 전류 밀도 : 425ma/g (3 시간)

이 기술에 대한 세부 사항은 47 번째 배터리 토론에서 발표 될 예정이며, 2006 년 11 월 20 일부터 22 일까지 에보 가와 와드 타워 홀 Funabori에서 개최됩니다

이 연구 개발은 또한 독립 행정 기관의 NEDO (New Energy and Industrial Andustrice Development Organization)가 의뢰 한 프로젝트를 통해 수행되었습니다

휴대폰 및 랩톱과 같은 휴대용 장치의 고전력에너지 밀도관심을 끌고 있습니다 소규모 장치뿐만 아니라 전력 부하 레벨링 시스템을위한 하이브리드 차량, 연료 전지 차량 및 배터리에도 적용될 것으로 예상됩니다 이러한 대형 바카라 주소 이온 배터리가 인기를 얻기 위해서는 안전을 보장하면서 배터리의 성능 (고용량, 출력 등)의 성능을 향상시킬뿐만 아니라 저렴하고 자원이없는 원료로 만든 재료를 개발해야합니다 가장 비싼 바카라 주소 이온 배터리 중 하나는 단일 배터리 재료 비용의 약 20-30%를 차지하는 양의 전극 재료입니다 현재 바카라 주소 코발 테이트 (LICOO₂)는 주로 사용되지만 코발트 자원의 불균일, 희귀 성 및 중요성으로 인한 가격 상승에 대한 우려가 있습니다 따라서 바카라 주소 Nikelate (Lini_0.8CO_0.2O₂) 및 Spinel Manganate Lithium (limn₂O₄) 양성 전극 및 기타 요소가 고려되고 있습니다 그러나, 전자는 충전 중 배터리의 안전성이 감소된다는 우려를 가지고 있으며, 후자는 고온 전하 및 배출 동안 삼위 일체 망간 이온의 방출로 인해 특성이 악화 된 것으로보고했다 따라서 저렴하고 저렴한 대형 바카라 주소 이온 배터리에 대한 우수한 양의 전극 재료에 대한 요구가 증가하고 있으며 비용이 들지 않습니다

AIST는 지금까지열수 방법, 철 및 망간으로 만든 새로운 3V 클래스 캐소드 재료 (철-함유 Li₂mno₃, li_1+x(fe_0.5Mn_0.5)_1-xO₂, 0

이번에는 제조 조건 및 화학적 조성의 추가 개선으로 인해 철, 망간 및 티타늄이 포함 된 새로운 재료를 발견했으며, 초기 전하 및 방전 용량은 60 ° C에서 충전 및 배출 시험에서 약 260 mAh/g (Milliampere 시간/그램)에 도달했습니다 이 전하/방전 용량은 코발트를 함유하는 기존 양극 전극의 용량 (200mAh/g 미만)을 초과합니다 평균 방전 전압은 약 32V (바카라 주소 극 참조)이지만, 기존의 양극 전극보다 약 05V 낮지 만, 양성 활성 재료의 중량 당 에너지 밀도 (약 800mWh/g 이상)는 기존 양극 전극보다 우수합니다 이 물질은 60 ° C뿐만 아니라 실온에서도 실온에서 200mAh/g 이상의 용량을 나타내며 -20 ° C에서 배출 할 수 있습니다

또한, 전류-스루 소너 링 방법을 사용하여 전도성 재료 (아세틸렌 블랙과 같은 탄소 재료)와 결합하는 기술 사용, 철 함유 Li₂mno₃또한 약 20C (2550ma/g, 1c는 1275ma/g로 설정 됨)로 배출 될 수 있으며 동시에 높은 전력 출력이 달성되었습니다

이전 연구에서 철 함유 Li₂mno₃샘플에서 바카라 주소 함량을 증가시키고 구성 입자 크기를 줄임으로써 개선된다 이번에는 전하/방전 특성을 향상시키기 위해 제조 조건 측면에서 특히 다음 두 지점을 만들었습니다

1. 수산 반응이 사용되는 동안 수산화물 바카라 주소이 수산화 칼륨에 첨가되는 혼합 된 알칼리 열수 방법
2. 베이킹은 온도 상승 시간을 포함하여 약 1 시간의 매우 짧은 시간에 수행됩니다

이 혼합 된 알칼리 열수 방법을 적용하여 전구체에 포함스피넬 페라이트불순물은 거의 완전히 완전히 제거 될 수 있으며 매우 균질 한 전구체를 매우 짧은 시간에 발사 할 수있어 샘플의 바카라 주소 함량이 증가하면서 곡물 성장을 억제 할 수 있습니다 그림과 같이 도 1, 수득 된 분말의 1 차 입자 크기는 주사 전자 현미경 (SEM)에 의해 100 nm 이하인 것으로 확인되었다

그림 1 왼쪽 : 새로운 철/망간 재료 및 오른쪽 : 새로운 철/망간 재료의 스캐닝 전자 현미경 사진

이번에는 모든 전이 금속에서 티타늄을 20%로 용해시킴으로써 온도 60 ° C 시험 중 충전 용량은 거의 동일하지만, 배출 용량은 크게 개선되어 260mAh/g (Milliampere 시간/그램)에 도달하여 기존 재료의 값의 15 배 이상입니다 (개요 페이지 다이어그램)

온도 30 ℃ 에서도이 재료는 230mAh/g의 방전 용량을 나타냅니다배출 속도5c의 높은 전류 밀도에서도 135mAh/g로 유지되었다 또한, 우리는 전류 밀도가 높은 20C가 티타늄을 용해시키지 않는 것과 비교하여 상당히 개선된다는 것을 발견했습니다 (그림 2)

그림 2 30 ° C에서 충전 한 후 새로운 철 기반 양극 전극 재료의 방전 특성

또한,도 3에 도시 된 바와 같이, 고체 용액에서 티타늄의 방전 특성은 30 ℃의 온도뿐만 아니라 0 ℃ 및 마이너스 20 ℃와 같은 저온에서도 개선되는 것으로 밝혀졌다

그림 3 30 ° C 및 48V에서 충전 한 후 새로운 철 기반 양극 전극 재료의 저온 배출 특성

다음 티타늄 프리 철 함유 Li₂mno₃전도성 물질 인 아세틸렌 검은 색으로 분말 표면을 코팅 한 후 기계 연쇄 방법에 의해이 둘은 전류-스루 소니 링 방법으로 결합하여 철분 함유 Li₂mno₃-아세틸렌 블랙 복합재가 준비되었습니다 복합재의 방전 특성 (도 4)은 1C의 방전 속도에서 거의 완전히 다르지만, 전류 밀도가 5C 및 20C에서 증가함에 따라, 복합재는 둘 다의 혼합물과 비교하여 증가하고 더 높은 용량 및 감소 된 전압 강하를 달성 할 수 있음을 알 수있다

그림 4 30 ° C 및 48V에서 충전 한 후 새로운 철기 기반 양성 전극 활성 재료 조합 ​​재료 복합재의 방전 특성 비교 (아세틸렌 검은 색으로 전도성 재료로 사용)

위의 결과로부터, 그림 5에 도시 된 바와 같이 화학 조성 및 분말 특성을 제어 할 수있는 습식 제조 기술을 결합하고 활성 재료 조도 재료를 결합함으로써, 자원이 풍부한 요소로 만든이 캐소드 재료는 하이브리드 오토바이를위한 바카라 주소 이온 배터리의 캐소드 재료로 유망하다는 것을 알 수있다

그림 5 : 우수한 저렴한 비용 및 자원 절약을 갖춘 고용량, 고출력 양성 전극 재료 개발의 개념적 다이어그램

원자재 가격을 비교하기 위해 시약 제조업체의 카탈로그 값을 사용하여 고체 상 반응 방법과 같은 일반적인 제조 방법을 사용하여 1kg의 양성 전극 재료를 제조 할 때 원료 비용을 추정했습니다 (표 1) 이번에 개발 된 재료는 바카라 주소 망대입니다 (limn₂O₄)만큼 저렴하지는 않지만 현재 캐소드 재료, 바카라 주소 코발 테이트 (Licoo₂) 가격의 3 분의 1이며 자동차에 사용하기위한 양의 전극 재료가 될 것으로 예상됩니다_0.8CO_0.2O₂) 및 Nickel-Lithium Manganate (Lini_1/3Mn_1/3CO_1/3O₂)의 가격의 약 1/2입니다

표 1 : 양성 전극 재료 1kg을 제조 할 때 원자재 가격 비교

앞으로 우리는 사이클 특성을 개선하고 용량 및 출력을 늘리는 동시에 배터리 제조업체 및 재료 제조업체와의 공동 개발을 통해 5 년 안에 실용적이라는 목표를 목표로합니다

◆ 바카라 주소 이온 배터리

현재 배터리의 작동 전압 (3-4V)이 가장 높은 배터리이며,이 바카라 주소 코발 테이트와 같은 전이 금속 산화물, 예를 들어 양극 전극 및 음성 전극으로서 흑연 탄소 재료를 사용하여 비-퀴 소스 전해질로 구성됩니다 바카라 주소 이온이 충전 중에 양의 전극에서 음극으로 이동하고 방전 동안 음의 전극에서 양극 전극으로 이동할 때 배터리로 작동합니다 그것은 1990 년대 초에 실질적으로 사용되었으며, 배터리 부피 또는 무게 당 추출 할 수있는 에너지 (에너지 밀도)가 다른 배터리 시스템보다 훨씬 높기 때문에 휴대폰 및 노트북 PC와 같은 모바일 장치의 필수 전원이되었습니다 생산은 주로 일본 배터리 제조업체에서 수행하지만 한국 및 중국과 같은 해외 제조업체도 인기있는 주제가되고 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 긍정적 인 재료

배터리의 + 극면을 구성하는 재료 바카라 주소 이온 배터리의 경우, 바카라 주소 이온을 함유하지 않는 탄소 재료는 네거티브 전극에 사용되므로 바카라 주소 코발 테이트 (LICOO)는 양의 전극 재료입니다₂), 바카라 주소 니켈 레이트 (Linio₂), 바카라 주소 망대 (limn₂O₄) 등과 같은 바카라 주소 이온을 함유하는 전이 금속 산화물은 전자 전도도가 낮기 때문에 양의 전극 활성 재료로 사용되지만 일반적으로 아세틸렌 블랙과 같은 전도성 재료를이 둘을 결합하기위한 바인더와 혼합해야합니다 바카라 주소 코발 테이트는 현재 배터리에서 활성 재료로 사용되지만 회사는 코발트 원료 가격의 최근 상승과 배터리 비용 절감에 대한 수요를 충족시키기 위해 양극 전극에서 코발트의 양을 줄이는 것을 고려하고 있습니다
충전 및 방전시 바카라 주소 이온의 양이 배터리의 용량을 결정하고 제거 중 전압은 배터리 전압을 결정하기 때문에 바카라 주소 배터리에서는 양의 전극 재료의 개발이 특히 중요합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 전류 구동 소결 방법

이것은 분말이 단축 방향으로 가압 될 수있는 전도성 곰팡이에 배치되는 소결 방법이며, 분말은 간헐적으로 수백 개의 암페어의 전류를 적용하여 저항 적으로 가열되고 분말 사이에 분말을 결합시켜 분말을 결합시켜 분말을 방출합니다 또한 배출 플라즈마 소결 방법 또는 펄스 전류 적용 소결 방법이라고도합니다 전기 용광로에서 가열 시스템을 사용한 정상적인 소결과 비교하여, 이는 곡물 성장을 억제하면서 낮은 온도와 짧은 시간에 소결 할 수 있다는 사실이 특징입니다 이 방법은 주로 금속 및 세라믹 재료 분야에서 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 에너지 밀도

배터리의 무게 또는 부피 당 저장 또는 추출 할 수있는 전기 에너지의 양 전기 에너지는 배터리의 평균 전압 및 배터리 용량의 제품으로 표현됩니다 값이 클수록 일정한 양의 전기 에너지가 필요할 때 필요한 배터리의 크기와 무게를 줄입니다 이는 실제적인 사용에 유리합니다
바카라 주소 이온 배터리는 비 식 용매 기반 전해질을 사용하며 배터리 당 전압은 수용액 기반 배터리의 두 배 이상 높습니다 이는 에너지 밀도를 증가시키는 한 가지 요소입니다[참조로 돌아 가기]

◆ 열수 방법

밀폐 용기에 2 가지 이상의 원료를 함유 한 용액을 배치하는 방법, 물의 끓는점 (100 ° C) 이상의 온도에서 압력을 가열하고 냉각하여 액체 상에 용해시키고 반응하여 균일 한 생성물을 얻습니다 반응 온도를 감소시킬 수있을뿐만 아니라 단결정 성장 방법 중 하나이기도하여 고순도 생성물을 얻을 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ Spinel Ferrite

자기 특성을 나타내는 스피넬 구조를 가진 철 기반 복합 산화물 (생명₅O₈, mnfe₂O₄, Cofe₂O₄, nife₂O₄등에 대한 일반적인 용어 공로를 준비 할 때 쉽게 형성 할 수 있으며, 일단 형성되면 불순물로 남아있을 가능성이 높습니다 그것이 불순물로 남아 있다면, 자체를 충전하고 배출하지 않으며, 표적 물질, 특히 철분 함량의 조성은 감소하여 충전 및 배출 특성이 상당히 악화 될 것이다[참조로 돌아 가기]

◆ 배출 속도

1 시간 만에 배터리의 총 용량 만 방전하는 전류의 양은 1C 속도라고하며 해당 전류의 양은 C 속도로 여러 배가 표시됩니다 예를 들어, 용량이 150mah/g의 배터리가 300ma/g의 전류에서 배출되면 속도는 2C가됩니다[참조로 돌아 가기]