日本：探明硅酸亚铁锂结晶结构低成本锂电池有望实现（图）种植

发布时间：2020-04-19 13:00:00 阅读：次来源：收纳盒厂家

日本：探明硅酸亚铁锂结晶结构低成本锂电池有望实现（图）

东京工业大学研究生院综合理工学研究科山田淳夫副教授的研究小组，采用利用高亮度放射光的高分辨率X射线粉末衍射（HR-XRD）等方法，成功探明了有望用作锂离子充电电池正极材料的硅酸亚铁锂（Li2FeSiO4：锂、铁、硅、氧）的结晶结构（图1）。

图1：硅酸亚铁锂Li2FeSiO4的结晶结构。在超格子结构上标明了各构成元素的位置和电子密度分布情况。（图由山田淳夫副教授提供）

山田副教授介绍说，相对于原来的设想，已得知实际的结晶结构为四氧化铁（FeO4）四面体和四氧化硅（SiO4）四面体以一维锁链形状在较长周期内有规律地依次旋转的联结结构（图2）。探明硅酸亚铁锂的基本结晶结构，使仅由资源量丰富的普遍元素组成的硅酸亚铁锂能够用作正极材料，对材料设计的助益巨大。可以说，这提示出低价位锂离子充电电池通向实用化的道路。

图2：由结晶结构内的四氧化铁四面体和四氧化硅四面体构成的一维链状结构。（a）原预测结构，（b）此次解析的一维链状结构。四氧化铁四面体和四氧化硅四面体有规律地旋转着排列，（c）并列显示基本的格子结构和显示结晶特征的超格子结构。（图由山田淳夫副教授提供）

目前，手机和笔记本电脑等使用的锂离子充电电池，其正极材料主要使用含有稀有金属元素钴的锂钴氧（LiCoO2）。但因钴原料的供应有可能不稳定，因此一直在研究开发钴的代替材料。另外，锂钴氧的热稳定性较低，存在着高温生成氧气（O2）的问题。因此，在锂离子充电电池中，作为用于非单位体积的能量，而是重视成本的电动汽车和电力储藏系统等的大型电池，一直在开发由低价位的普遍元素构成的正极材料。最近，美国风险企业A123 Systems（马萨诸塞州）开发成功并上市了正极材料采用磷酸铁锂（LiFePO4）的锂离子充电电池。目前已开始应用于电动工具和玩具。日本也开始进口该电池用于无线电遥控模型飞机等。

与橄榄石状结晶结构的磷酸铁锂相比，把含有两个锂元素的硅酸亚铁锂用作正极材料的锂离子充电电池有望实现优异的高能量，但此前其结晶结构未探明。

此次，山田副教授的研究小组把基本原料碳酸锂（LiCO3）、草酸亚铁（FeC2O4 2H2O）和二氧化硅（SiO2）粉末均匀混合，在800℃的氩气中烧结6小时，制成了硅酸亚铁锂试样。试样制作过程中，设法使之不发生副反应，制成了粒径为数百nm的试样。以X射线粉末衍射法和透射电子显微镜的电子衍射法等对粉末试样进行了分析，探明了复杂的结晶结构。该结晶结构与电子密度分析结果完全一致。