【原】【海外纵览】日本东北大学金属材料研究所

前沿材料 2020-09-17

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▲日本东北大学金属材料研究所大楼

基本情况

中文名：

日本东北大学金属材料研究所

英文名：

Institute for Materials Research, Tohoku University，简称IMR

日文名：

東北大学金属材料研究所

成立时间：

1916年4月1日

地理位置：日本宫城县仙台市青叶区片平2丁目1番1号

研究领域：

金属、半导体、超导、陶瓷、化合物、有机材料、复合材料等领域的基础与应用研究

官网：

http://www.imr./

历史沿革

1916年4月1日 作为“东北帝国大学理科大学临时理化学研究所第二部”成立。

1919年5月22日 成为“东北帝国大学附属钢铁研究所”。

1922年8月9日 成为“东北帝国大学金属材料研究所”。

1947年 更名为“东北大学金属材料研究所”。英文名称为：the Research Institute for Iron, Steel and Other Metals (RIISOM)。

1987年5月21日 日文名称不变，英语名称变更为“Institute for Materials Research (lMR)”。

▲2016年日本东北大学金属材料研究所

创立100周年

组织架构

主要研究成果及

在研项目

多孔碳材料

2015年11月，东北大学金属材料研究所与日本TPR工业株式会社和一家电气设备厂家开发出一种开孔型多孔碳材料。该多孔碳材料在耐化学药品性能方面可以匹敌石墨，且拥有高比表面积、高结晶性和高导电性能。该材料有助于提高电气双层电容器、锂离子蓄电池、燃料电池等实用性能源器件的性能，还极大地促进了空气电池、全固态电池等下一代能源器件的开发。

▲成功开发的高结晶性开孔型多孔碳材料外观

耐高温全固态锂离子二次电池的基础技术

日本东北大学金属材料研究所和原子分子材料科学高等研究机构的折茂慎一教授与日本日立制作所合作，开发出一种新型锂电子技术，使用一种复合氢化物作为固体电解质，减小了全固态锂离子电池的内部电阻。且经过实验验证，该试制品的小容量电池可在150度的高温环境下，释放出其理论容量90%的电能。

该研究成果使得发动机室内的车用电源及用于大型工业机械马达的电源等可在高温环境下使用。此外，由于锂离子二次电池在高温环境下使用时不需要冷却装备，电池系统的小型化及低成本前景令人期待。

普通的锂离子二次电池的正负极由分离装置分隔，锂离子通过电池内的有机电解液往返于正负电极之间从而进行充电和放电。但由于有机电解液的主要成分是挥发性有机溶剂，电池的耐热温度仅在60度左右。

为解决这一问题，实现电池在高温环境下的使用，研究团队开始开发不具挥发性的固体电解质材料，发现锂离子与硼氢化物（BH4）结合而成的氢化物作为固体电解质，在室温至150度的范围内都可以确保锂离子传导。但是正极材料与这种电解质接触时会发生分解反应使电阻增大，导致放电量几乎为零。

在这一基础上，研究团队开发出可以抑制正极材料分解的“氧化物固体材料(Li-B-Ti-O)”，将它与正极材料制成细密的复合正极层。团队进而开发出添加了低熔点酰胺的氢化物电解质，将它置于固体电解质与复合正极层之间。

由此，电池的内部电阻降低到原来的百分之一，放电容量也提升到理论容量的90%。研究团队表示，电池充电及放电极为稳定，今后将扩大电池容量、缩短充放电时间，进一步提高电池性能。

▲（a）传统的使用有机电解液的LIB结构与

（b）新开发的全固态LIB结构

钠离子电池固态电解制新材料

日本东北大学金属材料研究所在拥有纳米级笼状结构（B10H10 离子）的稳定络合氢化物中，发现了钠超离子传导现象。该现象的发现有助于同样拥有笼状结构的固体电解质的开发，有助于加速下一代蓄电池——全固态钠离子二次电池的开发。

▲笼状结构的B₁₀H10 离子

全固态锂硫电池

由日本三菱气体化学公司、东北大学金属材料研究所、原子分子材料科学高等研究机构的讲师宇根本笃及教授折茂慎一共同组成的研究小组成功开发出了使用硫（S）正极和金属锂（Li）负极的全固态锂硫电池。该研究成果是在同研究小组自主开发的络合氢化物硼氢化锂（LiBH₄）的基础上，利用其作固体电解质而实现的。

该研究小组着眼于络合氢化物作为电池用固体电解质的功能性，开发出了基于络合氢化物的新型固体电解质。络合氢化物LiBH₄在120℃下显示出了高达2×10-3S/cm的锂离子传导率。通过此次研究，该研究小组成功把LiBH4配备到了电池中。经证实，开发出的全固体Li-S电池反复充放电45次后，蓄电性能也未显著降低，S正极的单位重量能量密度达到1410Wh·kg-1以上，与以前使用的正极材料相比，能够以2～3倍以上的高能量密度稳定工作。