东芝新型无钴5V级高电位正极锂离子电池介绍

东芝成功开发出新型无钴5V级高电位正极锂离子电池

实现高电压化&提高功率性能为碳中和循环经济的实现做出贡献

株式会社东芝（以下简称东芝）开发出一种新型锂离子二次电池，通过使用5V级高电位无钴正极材料大幅度抑制副反应产气。

多数正极材料都包含稀有金属钴，钴产地的政策影响供应链与成本的稳定性。而东芝本次开发的5V级正极材料不含钴，可以应对这一课题，与此同时该电池中镍的含量也相对较少，以应对近年来镍价格高涨带来的成本增加。因此，该电池无论是从成本角度，还是从资源保护的观点来看均具有优势。

历来5V级高电位正极都存在一个实用上的课题，即由于高电位引起电解液的分解而产生气体。东芝通过对电极构成材料的改良，使电池在使用传统电解液的情况下也能大幅度降低副反应。在锂离子二次电池中采用5V级高电位正极后电池的高电压化和功率性能的提高值得期待。

东芝将该正极技术和铌钛氧化物(NTO：Niobium Titanium Oxide)负极组合，试制了锂离子电池(软包)(图1)，验证了该电池不仅具有3V以上的高电压、5分钟内充电至80%的快速充电性能、高功率性能，而且在60℃的高温下也显示出优异的寿命特性(图2)。

图2：试制电池试验结果（点击放大）

从工业用途的小型高电压电池，到未来电动汽车等用途的大型电池，该锂离子电池技术都有望得到广泛应用。

开发背景

为了实现碳中和社会，使锂离子二次电池从家庭到工业场景都能得到广泛应用，对电池技术的要求正不断提高。稀有金属钴因其稳定的特性被广泛用作正极材料，但另一方面，钴供应链的稳定性，成本波动，资源生产国过分集中，开采和精炼时导致的土壤和水质污染、生物多样性下降等环境问题也备受关注(*1)(*2)。

具有提高锂离子电池能量密度特性的镍也同样被广泛用于正极材料，但同样存在精炼过程相对集中于特定国家等问题(*2)。综上所述，能够规避供应链风险，不含稀有金属，兼顾采购稳定及资源保护特性的电池将为各行各业所求。

此外，在汽车产业中，除了追求电动系统（包含电动机和逆变器）的高效率化、电池的高功率输出化外，还有快充电池组的高电压化的趋势(*3)——如果每个电池单元的电压升高，则可以减少电池模块中电池数量，从而实现低成本化。

现有技术与课题

提高电解液抗氧化性

无钴且镍的含量少的尖晶石型结构(*4)的高电位正极“镍锰氧化物(LNMO)”的锂离子电池颇受关注。但是，LNMO由于工作电位高而使电解液分解产生气体，从而导致电池明显膨胀或寿命缩短是现存的课题。到目前为止，通过提高电解液的抗氧化性，如，使电解液高浓度化、应用氟化溶剂·离子液体等已有诸多报道，但仍存在权衡抑制气体产生和确保锂离子的良好传导性间的取舍课题。由于抑制气体产生而导致电阻上升，电池输入输出性能降低，低温性能降低等性能和成本方面的课题还有很多，实用化的对策也迫在眉睫。

技术特点

东芝分析并阐明了电解液在高电位正极表面可分解产生气体，正极材料中的金属溶出以及溶出的金属在负极表面具有促进气体产生作用的机制。针对这些问题，东芝不仅开发了对正极材料粒子进行表面改性来抑制其与电解液的反应技术，还开发了在负极表面使溶出离子无害化的技术(图3)。通过这项技术，即使使用传统电解液也可以抑制气体产生。

图3：技术开发模式图

在这次技术开发的实证中，我们采用了铌钛氧化物(NTO：Niobium Titanium Oxide)负极，试制了1.5Ah级的软包电池。经验证，该技术实现了3V以上的高电压、5分钟内充电至80%的快速充电性能、6000次以上充放电循环后仍维持初期容量的80%以上的耐久性、以及在60℃的高温下也具备优异的寿命特性(图3)。

审核编辑：黄飞