2019年諾貝爾化學獎授予了吉野彰、約翰·古德納夫和斯坦利·威廷漢三位科學家。這三位諾獎得主獲獎的研究項目均與“鋰離子電池研發技術”有關。

鮮為人知的是，在古德納夫的研究過程中，東芝高級研究員水島公一也發揮了極大的作用。當時，在東京大學擔任助教水島在約翰·古德納夫的指導下，從事大容量鋰離子電池正極材料的研究工作。在研究過程中水島發現鈷酸鋰作為材料的性能表現優異。這一發現為今天實際使用的鋰離子電池的基本結構做出了重大貢獻。為此，東芝也為水島頒發了特別獎，以表彰他的卓越功績。

株式會社東芝CEO兼董事長車谷暢昭（圖右 時任）為東芝高級研究員水島公一（圖左）頒發特別獎

如今，為應對日益加劇的全球變暖問題，加速推進汽車電動化乃當務之急。如果電動汽車電池的高能量輸入、輸出、壽命等問題可以得到更好的解決，便能更好的得到應用，為減少碳排放做出貢獻。因此，人們現在對鋰離子電池的前景寄予厚望，希望它能夠幫助實現可持續發展目標(SDGs)。

鋰離子電池的性能要求及實現方式

鋰離子電池的能量密度較高，具有體積小、重量輕、電壓高、容量大、充放電循環次數多等優點，人們期待著更優秀的鋰離子電池的出現能更好地助力電動汽車的發展。

但是，為使鋰離子電池更好的應用還需要攻克諸多課題。

不同的用途，對鋰離子電池的性能要求也不同

在實現大容量和高能量密度方面，電池能夠儲存的能量越多，異常情況下發生嚴重事故的可能性也就越高。為此，需要對鋰離子電池實行嚴格的質量管理制度，例如防止在生產過程中混入異物等。特別在工業領域應用，不僅需要確保在惡劣環境下使用時的安全可靠性，而且通常對工業設備中的鋰電池進行更換操作比較難，還需要確保電池的穩定性。

東芝提出的新型鋰離子電池方案

東芝SCiB^?鋰離子電池使用鈦酸鋰(LTO)作為負極材料，在滿足容量大、能量密度高需求的同時，還具有安全性高、壽命長、低溫性能好、有效SOC^※1范圍大、快速充電、高輸入輸出功率等優點。可應用于電動汽車、固定式/工業用電池等場景。

※1：SOC（荷電狀態）。SCiBTM在SOC廣泛的運行范圍內具有高輸入輸出功率特性，可以在0%～100%的SOC范圍內使用。

●LTO負極的優點（1）：理論上不會析出金屬鋰，內部短路風險較低

鋰離子電池因性能劣化和內部短路而誘發起火事故常有發生。造成這些問題的原因是負極析出的樹枝狀金屬鋰，也被稱為枝晶（樹突）。當這種枝晶生長穿過隔膜到達正極時，內部就會發生短路，導致電池起火。

負極析出樹枝狀金屬鋰

當負極的電位因超過電壓而變為0伏(V)時，就會析出枝晶。在普通鋰離子電池的石墨負極中，由于吸藏^※2鋰離子的電位為0.1V，接近0V，因此在稍微施加過電壓的狀態下(快速充電或在低溫環境中充電等)，析出枝晶的可能性就會增加。另一方面，在SCiB?采用的LTO負極中，由于吸藏放電電位為1.5V和0V，可保證足夠的裕度，理論上，枝晶析出的可能性很小。

※2：吸藏指鋰離子被吸收到固體中的一種現象。

●LTO負極的優點（2）：一旦發生內部短路，可啟動自我保護功能

LTO具有自我保護功能，即使內部發生短路，仍可確保較高的安全性。LTO雖然是一種絕緣體，但可通過吸藏鋰離子，作為電極材料(導電相)。當陰正極之間意外混入金屬等異物時，鋰離子會立即從短路點附近的LTO中釋放出來，隨后LTO負極變為絕緣體(高阻相)，防止產生過大的短路電流，抑制電池熱失控。這就是LTO負極電池的自我保護功能。

●LTO負極的優點（3）：快速充電、低溫性能

即使快速充電的情況下，LTO負極上析出金屬鋰(枝晶)的可能性也較低。利用這一優勢，SCiB?可以實現快速、安全的充電，只需充電3分鐘即可達到80%的電量。此外，即使在-20℃的低溫下進行充電實驗，LTO負極也不會析出枝晶，因此可以反復充/放電，并且幾乎不會導致容量減少。

●LTO負極的優點（4）：充放電時的體積變化非常小，可確保使用壽命

隨著鋰離子的吸藏和釋放，普通鋰離子電池的體積會發生5～15%的變化。這種物理體積的變化會損害材料，導致容量降低、壽命縮短。對此，SCiB?采用的LTO負極材料具有非常穩定的尖晶石型結構，體積幾乎不會隨鋰離子吸藏和釋放而產生變化。在環境溫度為35℃的條件下進行的實驗中也證實了這一點，經過2萬多次充放電后，容量仍保持在90%以上。

●與普通鋰離子電池的性能比較

綜上所述，SCiB^?性能出眾，優勢明顯。與普通鋰離子電池相比，SCiB^?的電池電壓較低、充放電循環壽命長、工作溫度和可充電溫度優異，且總體擁有成本更低。

LTO電池與普通鋰離子電池的比較