500Wh/kg级锂空气电池的开发！具有世界最高水平的能量密度

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摘  要：日本国立研发法人物质与材料研究机构与软银株式会社展开合作，共同开发出500Wh/kg级锂空气电池，并实现了室温下的充放电反应，今后计划将在该500Wh/kg级锂空气电池上搭载正在开发的改良材料组，以大幅度增加循环寿命，争取早日实现实用化。

关键字：500Wh/kg级锂空气电池、改良型材料、多孔碳电极、含氧化还原介质电解液

概要

日本国立研发法人物质与材料研究机构（以下简称“NIMS”）与软银株式会社（以下简称“软银”）展开合作，共同开发出500Wh/kg级锂空气电池，并实现了室温下的充放电反应。本次开发的锂空气电池的质量能量比密度（Wh/kg）远高于现有锂离子电池。此外，对全球已报告的锂空气电池的性能进行全面调查后发现，NIMS开发的锂空气电池在能量密度和循环次数方面均处于世界最高水平。本研究成果向锂空气电池的实用化迈出了一大步。

锂空气电池的理论质量能量密度可达现有锂离子电池数倍，被誉为“终极二次电池”。其重量轻、容量大，因此有望应用于无人机、电动汽车和家用蓄电系统等广泛领域。在日本国立研发法人科学技术振兴机构（JST）以高容量蓄电池的研发加速为目的而设立的ALCA新一代蓄电池项目（以下简称“ALCA-SPRING”）的支持下，NIMS进行了基础研究，2018年与软银共同成立了“NIMS-SoftBank尖端技术开发中心”，以手机基站、物联网、HAPS（High Altitude Platform Station）等的实用化为目标进行了研究。锂空气电池在理论上具有非常高的能量密度，然而此前用于特性评价的锂空气电池中，隔膜、电解液等不直接参与电池反应的材料占据电池重量的较大比例，因此很少有人制作出高能量密度锂空气电池并对其进行评价。

本次，研究小组基于此前在ALCA-SPRING中的研究，开发出能够最大限度地发挥锂空气电池潜能的独特材料。同时，研究小组将由NIMS-SoftBank尖端技术开发中心开发的高能量密度锂空气电池制作技术应用于这些材料组，全球首次（NIMS调查，截至2021年12月14日）实现了大幅超过现有锂离子电池能量密度（Wh/kg）的500Wh/kg级锂空气电池在室温下的充放电反应。

今后，研究小组将通过在500Wh/kg级锂空气电池中使用目前正在开发中的改良型材料，大幅增加循环寿命，争取早日实现锂空气电池在NIMS-SoftBank尖端技术开发中心的实际应用。

研究背景

锂空气电池在质量能量密度方面具有巨大的优势，因此有望应用于重视轻量化的无人机、物联网设备、乃至电动汽车、家用蓄电系统等广泛领域。锂空气电池采用空气中的氧作为正极活性物质，采用锂金属作为负极，理论能量密度可达现有锂离子电池的数倍，被称为“终极二次电池”。NIMS在JST的支持下进行了锂空气电池的研发。此外，NIMS于2018年与软银合作成立了“NIMS-SoftBank尖端技术开发中心”，以面向手机基站、物联网、HAPS等领域的锂空气电池实用化为目标进行研发。锂空气电池在理论上具有非常高的能量密度，然而此前用于特性评价的锂空气电池中，隔膜、电解液等不直接参与电池反应的材料占据电池重量的较大比例，因此很少有人制作出高能量密度锂空气电池并对其进行评价。

研究内容与成果

锂空气电池由正极（氧极）、隔膜+电解液、负极（金属锂）层叠而成。在放电反应中，金属锂在负极溶解到电解液中，然后在正极与氧反应，析出过氧化锂。该过氧化锂的析出量即为蓄电容量，因此正极的碳材料优选为具有高孔隙率和高比表面积的材料。另外，充电反应与放电反应相反，正极的过氧化锂分解释放出氧气，负极析出金属锂。此时，需要能够使正极和负极都以高可逆性进行反应的电解液材料。研究小组根据此前在ALCA-SPRING的研究中，开发出可以最大限度发挥锂空气电池潜能的多孔碳电极，以及含有氧化还原介质的电解液等独家材料（图1a）。

此次，研究小组将在NIMS-SoftBank尖端技术开发中心开发的高能量密度锂空气电池制作技术（主要包括电解液注液技术和电极叠层技术）（图1b）应用于这些材料组，全球首次（NIMS调查，截至2021年12月14日）实现了大幅超过现有锂离子电池能量密度的500Wh/kg级锂空气电池在室温下的充放电反应。

图1: 本研究首次通过实验验证了（a）ALCA-SPRING开发的锂空气电池用独家材料；（b）NIMS-SoftBank尖端技术开发中心开发的电池制作技术；（c）500Wh/kg级锂空气电池在室温下的充放电反应。

此外，研究小组全面调查了全球报告的锂空气电池的性能，进行了定量且客观的比较。由于各研究分别使用各自独特的电池和评价条件对电池性能进行评价，因此系统地把握和比较评价结果并非易事。本次，研究小组对文献上记载的电极和电解液的种类、以及重量等电池信息的细节进行了调查，成功计算出了电池的能量密度。

结果表明，NIMS和软银联合开发的锂空气电池在能量密度和循环次数方面均处于世界最高水平（图2）。一般来说，能量密度和循环次数是相互制约的关系，因此越是靠近图2右上区域的点，说明电池性能越好。

图2.全球报告的锂空气电池性能的调查结果

今后展望

本研究首次实现了大幅超过现有锂离子电池能量密度（Wh/kg）的500Wh/kg级锂空气电池在室温下的充放电反应，在锂空气电池实用化研发中又迈出了一大步。今后，将通过在本研究确立的500Wh/kg级锂空气电池上搭载目前正在开发的改良材料组，大幅度增加循环寿命，争取早日实现实用化。

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翻译：肖永红

审校：贾陆叶

李   涵

统稿：李淑珊

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