從1980年代中期開始,二次電池的需求與日俱增。當時,索尼集團旗下擁有電池制造企業——索尼能源技術(SET,現在的索尼能源設備),但該公司的強項在于堿性干電池和氧化銀電池等,并不生產二次電池。

大家是否知道日本傳統曲藝“落語”的經典段子《三軒長屋》?故事發生在消防隊頭目、當鋪的年輕小妾、劍術老師居住的三棟一連的雜院。頭目家傳來的年輕人的大聲喧嘩、老師家傳來的吵鬧的練習聲令小妾不堪其擾。忍無可忍之下,小妾向當鋪的掌柜哭訴,掌柜于是決定以雜院已經典當為由,將頭目和老師攆走。聽聞這個消息,頭目和老師來向掌柜要錢,說只要各給50兩,就馬上搬家。但搬完才知道,頭目搬到了老師家,老師搬到了頭目家注1)。

注1)這段落語是由中國明代的《笑府》中的笑話改編而成。

在此特意提這個段子,是因為鋰離子電池(LIB)的充放電反應與“三軒長屋”一模一樣。

鋰電池開發史(2)為回避專利絞盡腦汁 LiCoO2與碳勝出

圖1:LIB的基本原理

正極(LiCoO2)與負極(C)之間通過交換Li+離子進行充放電。

圖1是LIB充放電機制的模式圖。其重點在于正極(這里是LiCoO2)與負極(石墨)都如圖所示,為層狀結構。

通常的二次電池在充放電過程中會發生氧化還原反應,也就是化學反應。比方說,Ni-Cd二次電池在充電時,正極發生氧化,從Ni(OH)2轉變為NiOOH,在負極,Cd(OH)2還原為Cd(鎘)。放電則相反,NiOOH還原為Ni(OH)2,鎘氧化為Cd(OH)2。

但LIB不發生這樣的氧化還原反應。充電時,正極層間的鋰離子(Li+)移動到負極層間,也就是“搬家”,除此之外再沒有其他現象。放電時,負極層間的Li+移動到正極層間。充放電不伴隨任何化學反應,只是Li+在二者之間搬來搬去而已。簡直就是現實版的“三軒長屋”。因為離子在兩個位置間反復來回,所以LIB之類的電池也叫作“搖椅型電池”(但卻沒有三軒長屋型電池的說法)。

那么,我們是怎么發現這一機制的?這要先來回顧索尼的開發軌跡。

通過比賽選擇電極材料

從1980年代中期開始,二次電池的需求與日俱增。當時,索尼集團旗下擁有電池制造企業——索尼能源技術(SET,現在的索尼能源設備),但該公司的強項在于堿性干電池和氧化銀電池等,并不生產二次電池。市場對于二次電池的需求愈發強烈。因此,開發小型、大容量的二次電池成為了SET這家電池企業的當務之急。

但索尼在二次電池領域完全是新軍,要想迎頭趕上,就必須加快開發速度。為此,索尼采取了以下策略。

①任命SET的高管擔任二次電池開發項目的主管。這樣一來,決定重要事項無需再一一提交申請書,加快了各項事務的決策速度。

②試制裝置和測量儀等的數量準備需要數量的幾倍。倘若儀器只有1臺,一旦發生故障,在修理期內將無法使用,會阻礙開發的進行。準備兩臺可以避免耽誤時間。

③材料(正極材料、負極材料和電解液等)的庫存也必須達到需要量的2倍以上。因為如果某一種材料發生短缺,在訂購到交貨期間只能束手無策。

[責任編輯:趙卓然]

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