近日日本東芝公司在其官網(wǎng)上發(fā)布新聞表示公司旗下的東芝基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)與解決方案公司TISS同雙日公司Sojitz、巴西礦山公司CBMM達(dá)成協(xié)議，共同開(kāi)發(fā)下一代鋰離子電池負(fù)極材料——TiNb2O7材料，根據(jù)報(bào)道該材料具有高體積能量密度、快速充放電和長(zhǎng)壽命特性，可以滿足電動(dòng)汽車的應(yīng)用需求。what?東芝也開(kāi)始涉足動(dòng)力電池了?是的沒(méi)錯(cuò)，其實(shí)東芝公司早在2008年就已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)具有安全、長(zhǎng)壽命和快充特性的鈦酸鋰電池，但是鈦酸鋰電池存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)——能量密度過(guò)低，為此2017年?yáng)|芝公司推出了新一代的動(dòng)力電池產(chǎn)品SCiBTM，該產(chǎn)品采用鈮鈦氧化合物NTO作為負(fù)極，NTO化合物的體積比容量是石墨負(fù)極的兩倍，顯著提升了SCiBTM電池的性能，公司計(jì)劃在2020年將該產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

目前市場(chǎng)上的負(fù)極材料主要有兩大類，一種是石墨類的負(fù)極材料，占據(jù)了絕大多數(shù)的市場(chǎng)，一種是硅碳類材料，在高比能電池市場(chǎng)上取得了較多的應(yīng)用。那么東芝搞的這個(gè)NTO又是什么鬼?其實(shí)從東芝的新聞稿中我們能夠看出一些端倪，這個(gè)NTO材料與LTO材料淵源頗深。東芝公司在鈦酸鋰(LTO)電池領(lǐng)域深耕多年，雖然在LTO電池上沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的突破，但是在LTO材料的改性研制了積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這款鈮鈦氧NTO材料就是在LTO材料的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而來(lái)的。小編也特地找來(lái)了東芝公司發(fā)表在頂級(jí)期刊JPS上的關(guān)于該材料的文章，為大家全面解讀東芝公司開(kāi)發(fā)的NTO材料。

東芝開(kāi)發(fā)的這一款NTO材料主要是由球型二次顆粒構(gòu)成，顆粒的表面進(jìn)行了碳包覆處理，該材料的可逆容量達(dá)到341mAh/g與石墨類材料接近，以NCM622為正極，NTO為負(fù)極制備的49Ah電池，體積能量密度達(dá)到350Wh/L，最大輸入功率可達(dá)10kW/L(50%SoC)，從0%SoC充電到90%SoC最快僅需要6min，在1C倍率下循環(huán)7000次容量保持率可達(dá)86%，預(yù)計(jì)壽命超過(guò)14000次，幾乎完美滿足了電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的需求。

試驗(yàn)中TNO漿料的配方為91wt%的TNO，5%的石墨導(dǎo)電劑和2%的CMC、2%SBR，試驗(yàn)表明東芝公司開(kāi)發(fā)的高密度TNO材料的壓實(shí)密度可達(dá)2.7g/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨類材料的壓實(shí)密度。從循環(huán)伏安測(cè)試結(jié)果來(lái)看，TNO的嵌Li和脫Li的電勢(shì)分別在1.58V和1.69V與LTO材料比較接近。

下圖為T(mén)NO材料在不同的嵌Li量下的交流阻抗測(cè)試結(jié)果，采用圖中等效電路進(jìn)行擬合，其中Ro為歐姆阻抗，Rp為極化阻抗，包含電荷交換阻抗和表面膜阻抗，Zw為擴(kuò)散阻抗，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看歐姆阻抗Ro在不同的嵌Li狀態(tài)下基本沒(méi)有變化，而Rp則隨著NTO材料的嵌鋰數(shù)而發(fā)生了明顯的改變。當(dāng)嵌鋰數(shù)量x在0-0.6之間時(shí)，Rp隨著嵌鋰數(shù)量的增加而降低，在x=0.6-1.6時(shí)Rp幾乎保持穩(wěn)定不變，在x=1.6-3.2時(shí)Rp隨著x的增加而顯著提高，而電池的極化增加不大。在x>3.2的范圍內(nèi)，Rp在嵌鋰數(shù)量增加時(shí)略有上升，但是在材料的極化明顯增加，表明此時(shí)相比于電荷交換阻抗，Li+的擴(kuò)散阻抗成了主要限制因素。

下圖黑色曲線為東芝公司研發(fā)的高密度碳包覆TNO材料的倍率測(cè)試結(jié)果，藍(lán)色曲線為低密度TNO材料(70%NTO、20%乙炔黑、7%CMC和3%SBR)，紅色曲線為沒(méi)有碳包覆的高密度TNO材料，從圖中能夠看到低密度TNO由于加入了大量的導(dǎo)電劑因此表現(xiàn)出了非常好的倍率性能，但是由于活性物質(zhì)含量較低，所以在體積比容量上要明顯低于碳包覆處理的高密度TNO材料，該測(cè)試表明TNO材料經(jīng)過(guò)2%的碳包覆處理后極大的改善了材料的倍率性能，同時(shí)也保持了高體積能量密度的優(yōu)勢(shì)。

為了驗(yàn)證該材料能否應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，東芝公司利用碳包覆高密度TNO材料與NCM622材料制備了容量為49Ah的動(dòng)力電池，該電池電壓平臺(tái)在2.25V，體積能量密度達(dá)到350Wh/L，重量能量密度達(dá)到138Wh/kg。測(cè)試表明該電池在10C放電倍率下容量保持率達(dá)到93%，這不僅僅能夠滿足純電動(dòng)汽車的需求，也能夠完全滿足插電式混合動(dòng)力汽車的需求，同時(shí)該電池還表現(xiàn)出了極佳的低溫性能，在-30℃下該電池的放電容量仍然可以達(dá)到常溫下的63%。

快充性能也是我們非常關(guān)注的一點(diǎn)，測(cè)試表明該電池在4C、6C、8C和10C倍率下充滿90%的電量所需要的時(shí)間分別為13.6、9.0、6.9和5.5min，也就是說(shuō)在最快的充電速度下充滿90%的容量?jī)H僅需要不到6min，大約一首歌的時(shí)間，這樣的快充速度已經(jīng)能夠讓電動(dòng)汽車在使用便利性上與燃油汽車相當(dāng)了。在-10℃的低溫充電試驗(yàn)中，在5C倍率下充滿90%的容量?jī)H僅需要12min，并且負(fù)極完全沒(méi)有析鋰，這也極大的提高電動(dòng)汽車在冬季的使用便利性。

動(dòng)力電池除了上述的性能指標(biāo)外，我們最關(guān)心的就是動(dòng)力電池的循環(huán)壽命了，下圖展示了在1C倍率下TNO/NCM電池的循環(huán)性能，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看該電池循環(huán)7000次后容量保持率仍然可達(dá)86%，預(yù)計(jì)80%容量保持率壽命可達(dá)14000次左右，而采用石墨負(fù)極的NCM/石墨電池循環(huán)3400次后容量保持率就達(dá)到80%，表明TNO/NCM在使用壽命上具有非常大的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于降低電動(dòng)汽車的全壽命周期使用成本具有重要的意義。

總的來(lái)說(shuō)東芝公司開(kāi)發(fā)的這款TNO負(fù)極材料在比容量上與石墨材料接近，但是由于其壓實(shí)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨材料，因此彌補(bǔ)電壓平臺(tái)較高的劣勢(shì)，由TNO材料和NMC622材料制備的動(dòng)力電池在體積能量密度和重量能量密度上與LFP電池接近，同時(shí)TNO材料表現(xiàn)出了極佳的快充性能，在常溫下能夠在6min內(nèi)充滿90%的容量，極大提高電動(dòng)汽車使用的便利性，同時(shí)在循環(huán)壽命上TNO材料也表現(xiàn)出了極佳的性能，在1C倍率下循環(huán)7000次容量保持率可達(dá)86%，極大的降低了電動(dòng)汽車的全壽命周期使用成本，現(xiàn)在唯一需要擔(dān)心的就是這款材料的成本了，如果能夠與石墨材料接近，那么該材料將有巨大的市場(chǎng)前景。