東京大學(xué)研究生院水野哲孝教授的研究小組和日本觸媒公司共同開(kāi)發(fā)出了采用新原理的二次電池，在正極利用氧化物離子和過(guò)氧化物離子之間的氧化還原反應(yīng)。該研究小組查明，在正極利用在Li2O（氧化鋰）晶體內(nèi)添加Co（鈷）形成的物質(zhì)時(shí)，充放電反應(yīng)中就會(huì)有過(guò)氧化物生成和消失，由此實(shí)現(xiàn)了新原理的電池系統(tǒng)。這種電池的能源密度達(dá)到了現(xiàn)行鋰離子二次電池的7倍，而且還可新增容量，降低價(jià)格，提高安全性。有望作為EV（純電動(dòng)汽車(chē)）用途及固定蓄電用途的新一代二次電池。

通常鋰離子二次電池在正極使用的是LiCoO2（鋰鈷氧化物）等容易出現(xiàn)鋰離子嵌入/脫離的過(guò)渡金屬氧化物。由于是由分子量較大的過(guò)渡金屬來(lái)?yè)?dān)負(fù)氧化還原用途的，所以單位重量的能量密度及容量無(wú)法太大。而且鋰的價(jià)格也很高，因此還存在減少鋰的使用量以降低成本的要求。

而此次的新一代二次電池研究的是在正極利用O2（氧氣）分子的氧化還原反應(yīng)的鋰空氣電池，理論上可實(shí)現(xiàn)最大的能量密度。但這種電池也存在諸多問(wèn)題，比如放電反應(yīng)出現(xiàn)的Li2O2（過(guò)氧化鋰）等會(huì)導(dǎo)致正極阻塞；由于是開(kāi)放結(jié)構(gòu)，因此空氣中的水分及CO2（二氧化碳）容易混入，造成電極和電解液劣化；反應(yīng)中生成的活性氧類(lèi)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致有機(jī)電解液不穩(wěn)定，等等。因此，一直未能真正投入實(shí)用。

此次東大和日本觸媒開(kāi)發(fā)的電池在正極利用Li2O和Li2O2之間的氧化還原反應(yīng)，在負(fù)極利用金屬鋰的氧化還原反應(yīng)，兩電極活性物質(zhì)的單位重量的理論容量為897mAh/g，電壓為2.87V，理論能量密度為2570Wh/kg（圖1）。按兩電極活性物質(zhì)的單位重量計(jì)算，能量密度達(dá)到370Wh/kg，和使用LiCoO2正極和石墨負(fù)極的現(xiàn)行鋰離子二次電池相比，約為后者的7倍。這種新型電池的理論能量密度雖然不及鋰空氣電池的3460Wh/kg，但和目前的鋰離子二次電池相同采用密閉結(jié)構(gòu)，因此可靠性及安全性出色。

此次，研究小組使用行星式球磨機(jī)在Li2O晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)添加了鈷，將其用作正極活性物質(zhì)。經(jīng)證實(shí)，使用這種正極可實(shí)現(xiàn)氧化物和過(guò)氧化物間的氧化還原反應(yīng)可逆的電池系統(tǒng)（圖2）。同時(shí)還實(shí)行了過(guò)氧化物的定量分析，確認(rèn)充電反應(yīng)時(shí)正極中有過(guò)氧化物生成，放電反應(yīng)時(shí)正極中的過(guò)氧化物消失，而且這種反應(yīng)能夠反復(fù)發(fā)生。此外還確認(rèn)在能夠可逆充放電的范圍內(nèi)沒(méi)有O2及CO2出現(xiàn)，正極能夠?qū)崿F(xiàn)容量為200mAh/g的反復(fù)充放電，同時(shí)支持大電流快速充放電。另外，此次使用的正極和現(xiàn)行鋰離子二次電池使用的LiCoO2相比，鈷的重量比較小，有望降低原料成本。（作者：浜田基彥，日經(jīng)技術(shù)在線!供稿）