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www.2061.com锂离子充电电池新一代电极材料的开发

该芯片组由监控集成电路(IC)TB9141FG、设备控制高密度集成电路(LSI)的微控制器TMPM358FDTFG构成。1个监控集成电路TB9141FG可监控16个锂离子电池单元,规模为业界最大。通过使用该电路,电池的部件个数得以减少,能够降低系统构成的成本。

再利用是指将在汽车上用过的电池作为家庭和工厂等的蓄电池等使用。车载电池本身的设计寿命原本就很长,因此使用后还会剩余7~8成的电池容量。例如,日产汽车的电池设想使用5年后约剩余80%的容量,使用10年后约剩余70%的容量。为了通过再利用而使电池得到充分利用,日产汽车和三菱汽车从2009年秋,开始在与商社等探讨电池的再利用事宜。 电池厂商GS汤浅的中满表示,“当初为了确保安全性,并没有考虑再利用。但从2009年底开始,再利用已成为电池厂商无法反对的潮流。二手电池的流通导致事故发生时,电池厂商有可能会被追究基于PL法等的责任。所以今后不得不积极应对”。 GS汤浅计划与三菱汽车等从2010年秋季开始,就配备于“i-MiEV”的电池再利用进行实证实验。将把i-MiEV使用的电池作为太阳能发电系统的蓄电池使用,验证再利用是否能够成立。 除了再利用外,要求电池实现长寿命化的原因还包括,汽车支持智能电网。V2H是一种计划将EV和PHEV的电力供给家庭使用的构想。 尽管实用化时间未定,但如果V2H时代来临,电池将不仅仅用于汽车行驶,还可以为家中的电器提供电力。虽然还取决于使用频度,但仅以在汽车上使用为前提设计的话,可能会无法确保实现V2H所需的寿命。汽车厂商和电池厂商为了尽量确保长寿命,必须重新设计电池。三菱考虑采用东芝的电池 三菱汽车2010年7月宣布,正考虑采用东芝的锂离子充电电池“SCiB”。目前,三菱汽车采用的是GS汤浅和三菱商事共同成立的合资公司Lithium Energy Japan提供的锂离子充电电池。 SCiB是以长寿命为一大特点的电池,使用6000次后仍可确保9成左右的容量。原来的锂离子充电电池的负极材料石墨的电位与锂离子作为金属析出的电位相近,存在电池被施加负荷后,锂金属在负极析出,导致电池容量减少的缺点。 而且,如果析出的金属过多,突破隔在负极和正极之间的隔膜而使电极间相连后,可能会出现短路的情况。而SCiB的负极材料采用电位比石墨高的LTO,因此可从材料本身抑制锂离子的析出,从而能够长期使用。 不过,LTO由于负极电位高,电池的电压即使是在与Mn类材料相组合时也只有约2.5V,仅为原来的70%左右。用于电压为300V的马达时,如果是原来的电池,串联81个即可,而LTO则需要串联120个。 如果基于电池监控单元的管理能够严格进行,则单元较多也可以使用,但配备大量电池,则单元容量易出现不均匀现象,因此存在诸如负荷集中到特定的电池单元上等寿命变短的可能性。为此,日本的汽车厂商都对采用低电压电池的做法敬而远之。 即便如此,汽车厂商仍然开始探讨LTO的问题,可以看作是重视寿命的趋势增强的一种表现吧。LFP难以释放出氧气 与负极材料LTO一样,作为新一代电极材料备受期待的是LFP。GS汤浅计划“在2013年之前使采用LFP的电动车辆实现实用化”。该公司将LFP定位为面向EV、HEV和PHEV多种车型的材料。 GS汤浅除了与三菱汽车等共同成立EV用电池合资公司LEJ外,还与本田成立了HEV用电池的合资公司“Blue Energy”,提出了通过与汽车厂商成立合资公司生产车载电池的方针。该公司没有公布是在LEJ还是在Blue Energy生产采用LFP的电池,但可以肯定的是,新一代车辆将配备正极采用LFP的锂离子充电电池。 相对于原来的Mn类和Ni类电池的输出电压约为3.7V,LFP只为3.4V,降低了10%左右。虽然没有LTO那样下降得厉害,但为了确保与原来相同的电压,也需要增加配备的单元数量。正极材料采用GS汤浅试制的LFP的电池,其容量为81.3Wh/kg。低于面向三菱汽车已经实用化、正极材料采用Mn类电池的109Wh/kg。 不过,GS汤浅试制的LFP电池在循环使用1000次后,仍可维持90%的容量,其容量维持率比Mn类电池高。 LFP除了寿命长之外,容易确保安全性对电池厂商而言也是一大魅力。LFP的PO4结合紧密,在高温环境下不易向电解液中释放氧气。因与Mn类和Ni类电视相比难以释放出氧,所以可降低起火的几率。 利用LFP难以释放氧这一特点,将Fe置换为Mn的LMP的开发也在进行之中。LiFePO4的电压约为3.4V,而LiMnPO4的电压可提高至4.1V左右。不过,LFP的电子传导性较低,如果将LFP的Fe替换为Mn,则又存在电子传导性会进一步降低的问题。作为解决对策,目前正在开发通过添加碳等来提高电子传导性的方案。采用硅负极材料提高容量 随着锂离子充电电池寿命愈来愈受到重视,旨在提高电池容量的举措也日益具体化。三井金属的目标是2012年度使负极材料采用硅的锂离子充电电池在消费类用途领域实现实用化,2015年度作为车载电池采用。

东芝公司日前开始生产一种电池监控芯片组,该产品用于检测混合动力车(HV)及纯电动汽车(EV)上配备的锂离子电池的异常状态及剩余容量,以及使各电池单元的剩余容量均等。可确保锂离子电池的安全性,同时还可防止电池性能变差。将于2013年2月开始样品供货,2014年4月开始量产。

采用新电极材料的原因目前基本决定了正极材料和负极材料的组合。电压比较高为3.7V,也可确保寿命。将来要求比目前进一步支持电池的长寿命化和高容量化。

新产品所采用的构成可去除主要由马达等产生的噪声,确保稳定运行。微控制器TMPM358FDTFG中安装了可在低电压下工作的内存等,应用了东芝独有的省电技术。除了需要进行监控时外,以低功耗进行待机,从而可降低系统整体的耗电量。并且还支持功能安全的国际标准。

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还备有由监控集成电路TB9141FG与微控制器TMPM358FDTFG构成的基本电路,将从2013年3月起供货。采用这种电路,就能够简单地构成电池监控系统。随着混合动力车及纯电动汽车的普及,预计电池监控半导体的市场需求将会扩大,东芝计划强化这方面的业务,生产销售符合市场需求的产品,力争在2017年度实现25%的市场份额。

三井金属正在开发的高容量负极材料为提高锂离子充电电池的容量,负极材料采用硅。理论容量是现有负极材料石墨的10倍。试制电池的容量比石墨提高了20%。由于电子传导性低,用铜包覆了硅粒子。

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