リチウム鉄リン系複合酸化物バッテリーのご紹介

 

 

 
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リチウム鉄リン系複合酸化物バッテリーのご紹介  

リチウムイオン(Lithium-ion)電池はその使用されている正極材料によってコバルト酸リチウム、リチウムマンガン酸化物、ニッケル酸リチウム、リチウム三元系、鉄系リチウムイオン電池(リチウム鉄リン系複合酸化物電池、リン酸鉄リチウム電池)などに分類できます。現在各種消費性電子製品にはほとんど、コバルト酸リチウムを採用したリチウムイオン電池が使用されています。その他の正極材料は安全性とライフサイクルなどへの配慮から大量に使用されていません。しかし、動力やエネルギー貯蔵アプリケーション製品について期待されているエネルギー密度が大きく、電気容量が高く、放電プラトーが安定しており、自己放電率が低く、急速充電が可能であり、ライフサイクルが長く、安全性が高く、生産コストが低く、製造工程において無毒・無汚染であるという電池特性ニーズにおいて、「リチウム鉄リン系複合酸化物電池」はリチウムイオン電池の中で最良の選択であることが証明されています。


長泓エネルギー電池(GreenIce 50)の正極材料は台塑リチウム鉄材料株式会社(Formosa Lithium Iron Oxide Corporation, FLIO)が生産製造するリチウム鉄リン系複合酸化物(Lithium Iron Phosphate Oxide, LFPO)正極材料です。この正極材料はアメリカ及び世界で多くの特許(長園科USPTO 7494744)を取得しています。この材料の特徴は主に欠損オリビン構造(Defective Olivine)であり、酸素を含む空気中で低温にて焼結させて生産することができますが、リン酸鉄リチウムは必ず気密炉で高温及び水素とアルゴンの還元環境中で生産しなければならないという違いがあります。その主な特性の差異は下表の通りです。

比較項目 リチウム鉄リン系複合酸化物 リン酸鉄リチウム
構造 欠損オリビン構造 オリビン構造
焼結製造プロセス 空気中 還元環境
導電性能 常温常態合成で導電性良好 「炭素」で覆う必要がある。
鉄原料 酸化鉄 純鉄
コスト 低い 高い

 

 

結晶体構造
説明 構造図
整列後のオリビン分子構造
(Ordered Olivine)
特許番号US5910382(テキサス大学) :
リン酸鉄リチウム LiMPO4 のMは、Mn、Fe、Ni、Tiなど任意の金属とすることが可能。LFPと略称することも可。
(例:LiFePO4、LiMPO4)
修正後のオリビン分子構造
(Modified Olivine)
特許番号US6514640(テキサス大学) :
LiFePO4 の構造再配列
1. 一部の鉄元素はマグネシウム、ニッケル、亜鉛、ゲルマニウム、スズなどの金属元素に替わる。
2. リン酸塩PO4は、 SO4、VO4、SiO4に替わる。
(例:LiFe0.8Zn0.2(PO4)0.8(SO4)0.2)
欠損のあるオリビン構造分子構造
(Defected Olivine)
特許番号US74974744B2(長園科技) :
LFPO の構造
L+電子電位は、転移されて欠けている。
リン酸塩PO4 のP-Oが転移されて欠けている。(例: Li0.8Fe0.8Mn0.2P0.8O3.6)

 

 


リン酸鉄リチウム LiFePO4 (LFP) リチウム鉄リン系複合酸化物(LFPO)
1
分子式: LiFePO4 分子式: LiFe(1-x)MxP(1-x)O2(2-x)
この材料は LiFePO4 の化学計量法と異なり、 (Fe+M):P≠1: 1化学分析から得られる。
2
オリビン分子構造 欠損のあるオリビン分子構造と不純物の許容範囲の複合体
3
欠損のある分子構造を生成することはできない。 空気中の酸化によって欠損のある分子構造が生成される。
これは Li: M: P = 1:1:1(単一陽イオンの代替)と全く同一ではない。
4
Defect type: 無し Defect type: マイナスイオンの欠損。
5
構造はまだ明確に定義できない。所有権の関係が不明確。
(所有権の協議が難しく、また製造プロセスの難易度が高い。不活性ガスに頼るものが多い。)
構造の定義が明確である。所有権も大変明確である。
(欠損している分子構造があり、その導電率が良好で、炭素含有量の影響を受けにくく、製造プロセスの要件も低い。)
6
電気化学特性:
その炭素被覆導電性を改善しなければ急速充電機能の効率が悪い。炭素含有量の影響を受けやすい。
電気化学特性:
極めて優れた急速充電機能を持つ(> 20C)。欠損構造の良好な導電性をもち、炭素含有量の影響を受けにくくしている。
7
不活性ガス (N2+H2) は製造プロセスにおいて必要。
正常な大気環境の下で欠損がある分子構造の排列を進めることが可能。
8
不活性ガスが化学量論材料を生成する。 酸化ガスが欠損のある分子構造を生成する。
9
二次リチウム電池のアプリケーションにのみ適用。 a. 良好な二次リチウム電池のアプリケーション。
b. 合成が容易。
c. 製造コストが低い (大気 vs. 不活性ガス)。
d. 良好な材料の硬度で生産バッチの安定性が高い。
10
安定した品質と低コストの量産の請求を達成できない。 高品質、高い安定性、低製造コスト。

 

 


比較項目 リチウム鉄リン系複合酸化物(LFPO) リン酸鉄リチウム LiFePO4 (LFP)
1
開発特許 長園科 (USPTO 7494744) カナダ Phostech
2
化学構造 欠損型オリビン構造 オリビン構造
3
導電特性 良好であり、炭素被覆が不要 「炭素」の被覆が必要。
4
合成過程
常態 密室中で不活性ガスを注入して防爆する。
5
スラリー調合 水系/油系製造プロセスであり、バランスが良い。 油系製造プロセスであり、バランス良品率が不安定。
6
電気静電容量 高い。コーティングを篤くすることができ、活性物質含有量が高い。
やや低い。多くの接着剤と導電剤の投入が必要。
7
エネルギー密度 130 Wh/kg以上 100~130Wh/kg
8
自己放電率 優れている やや優れている
9
製造プロセスの安全性 優れている 還元反応の過程で爆発の恐れあり。
10
環境保護特性 汚染ゼロで ROHS規定に合致。 製造プロセスにおいて汚染有機ガスが生成される。
11
価格優位性 優れている やや優れている
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