日产开发新能源汽车技术 可观察锂电池电子运动

日产汽车与日产ARC日前宣布，开发出了一种分析方法，可直接观察锂离子电池充放电时正极材料中的电子运动作并定量化。采用此方法，“使得高容量锂离子电池的开发成为可能，从而有助于延长纯电动汽车(EV)的续航距离”(日产汽车)(图1)。

图1 日产汽车将于2014年量产的商用EV“e-NV200”。图为设计造型被西班牙巴塞罗那出租车选中的试制车。

要开发容量高、寿命长的锂离子电池，必须在电极活性物质中尽量多储存锂，进行可产生大量电子的材料设计。为此，掌握电池中的电子运动十分重要，而以前的分析技术无法直接观察电子的运动。因此，无法定量识别电极活性物质(锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、氧(O)等)中什么元素可在多大程度上释放了电子。

此次开发的分析方法，使得长期存在的课题——探明充放电时电流的起源并定量把握，“全球首次”获得了解决(日产汽车)。由此，可准确掌握电池内部发生的现象，尤其是正极材料含有的活性物质的运动状况。此次的成果是由日产ARC与东京大学、京都大学、大阪府立大学共同开发的。

使用“地球模拟器”

此次开发的分析方法，同时运用了使用“L吸收端”的“X射线吸收分光法”和使用超级计算机“地球模拟器”的“第一原理计算法”。尽管以前也有人采用X射线吸收分光法实施过锂离子电池分析，但使用“K吸收端”为主流。配置在距离原子核最近的K壳层的电子被束缚在原子内，因此电子并没有直接参与充放电。

此次的分析方法因采用了利用L吸收端的X吸收分光法，可以直接观察参与电池反应的电子流动。并且，通过与使用地球模拟器的第一原理计算法相结合，以高精度获得了以前只能间接推断的电子移动量。

日产ARC将此分析方法用于分析锂过剩型正极材料。结果发现，(1)在高电位状态下，属于氧的电子有益于充电反应；(2)在放电时，属于锰的电子有益于放电反应。