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使用導(dǎo)電性高分子的電容,同時實現(xiàn)高速充放電與大容量化

發(fā)布時間:2011-11-21

產(chǎn)品特性:
  • 具備60.80Wh/kg的能量密度
  • 功率密度達到了可在幾分鐘內(nèi)完成充放電的7000W/kg
  • 充放電周期特性出色
應(yīng)用范圍:
  • 高密度精細膜的制作

日本Eamex(總部:大阪府吹田市)開發(fā)出了采用導(dǎo)電性高分子膜的蓄電元件,不僅具備60.80Wh/kg的能量密度,而且功率密度達到了可在幾分鐘內(nèi)完成充放電的7000W/kg(圖1)。功率密度超過雙電層電容器(EDLC),能量密度“與電動汽車(EV)使用的鋰離子充電電池(LIB)相當”(Eamex代表董事瀨和信吾)。如果能夠?qū)嵱没?,便有望實現(xiàn)能夠快速充放電的電池。而且充放電周期特性出色,該公司的評測結(jié)果顯示,反復(fù)充放電1萬次以上后,性能劣化較小,使用壽命較長(表)。


提高正極的靜電容量

Eamex將該蓄電元件稱作“電容器電池”,其最大特點是正極采用了聚吡咯(Polypyrrole)、聚噻吩(Polythiophene)及聚苯胺等導(dǎo)電性高分子膜。負極采用混合有(預(yù)注入)鋰離子的碳類材料,將正負電極與電解液一同封裝*1。也就是說將鋰離子電容器(LIC)的正極換成了導(dǎo)電性高分子。電解液與現(xiàn)有EDLC相同,也是含有四氟化硼離子(BF4-)的有機溶劑。

*1 試制時還制造了負極采用金屬鋰箔的產(chǎn)品。

電容器電池正極的充放電原理與EDLC相似。充電時,電解液中的負離子BF4-被吸引到正極的導(dǎo)電性高分子膜,而放電時則由正極釋放出BF4-,并使其向負極移動(圖2)。與通過鋰金屬氧化物的化學(xué)反應(yīng)來授受電子的LIB極為不同。而且負極與EDLC不同,通過讓正離子Li+進入負極材料夾層來進行電子交換。這一點與LIB或LIC相同。

圖2:正極的差別
 
電容器電池通過讓BF4-進入膜狀導(dǎo)電性高分子內(nèi)部實現(xiàn)了高容量。盡管離子吸附在多孔活性炭表面的EDLC也采用同一原理,但單位體積的容量較小。而且LIB通過鋰金屬氧化物的化學(xué)反應(yīng)來交換電子。該圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)Eamex的資料繪制。

LIB的電子隨著正極中鋰金屬氧化物的化學(xué)反應(yīng)而移動,因此充放電需要一定時間。而電容器電池或LIC是隨著離子的移動來交換電子的,因此反應(yīng)很快。因而可實現(xiàn)幾分鐘~10分鐘左右的高速充放電。

而且,電容器電池的能量密度遠遠高于LIC的15.20Wh/kg。正如后文將要介紹的那樣,這是因為正極的靜電容量較高。

一般來說,電池或電容器單元的能量與電壓的2次方及靜電容量成正比。單元的靜電容量用正極與負極靜電容量倒數(shù)之和的倒數(shù)來表示,因此提高正負極的靜電容量就能提高能量密度。

高能量密度電容器方面,有的LIC已開始實用化。LIC通過預(yù)注入鋰離子來提高負極的靜電容量。而電容器電池除了這種方法之外,還通過采用導(dǎo)電性高分子提高了正極的靜電容量。而且,電壓為與LIC同等的4V左右。因此,可獲得數(shù)倍于LIC的能量密度。

電容器電池的正極由直徑約0.5nm的超細導(dǎo)電性高分子變成膜狀之后形成。此次試制的電容器電池單元在作為集電體的30μm厚鋁箔表面生成了50μm厚的導(dǎo)電性高分子膜。由于負離子可進入并吸附在高分子膜內(nèi)部,因此可獲得較高的靜電容量。

通過采用自主成膜技術(shù)實現(xiàn)

Eamex的瀨和表示,此前也有人提出過將導(dǎo)電性高分子膜作為電極材料的想法,但因無法制作出可用作電極且具有柔軟性的膜,最終未能實用化。Eamex擁有采用電解聚合法*2形成導(dǎo)電性高分子膜的技術(shù),因此可制作出用作電極的高密度精細膜。其實,該公司本來就一直開發(fā)使用導(dǎo)電性高分子膜的致動器,因在此過程中發(fā)現(xiàn)這種高分子膜可用作電極材料,于是開發(fā)出了電容器電池。

*2 電解聚合法:通過施加電壓,利用氧化還原反應(yīng)合成物質(zhì)的方法。

瀨和表示,此次的電容器電池在成本方面同樣優(yōu)于LIB。與正極使用鋰金屬氧化物的LIB相比,Eamex公司的導(dǎo)電性高分子膜可采用基于電解聚合法的卷對卷工藝制造。其中,通過采用廉價的聚苯胺(Polyaniline)“大幅降低了成本”(瀨和)。但負極需要預(yù)先為碳類材料注入鋰離子,這部分需要花費成本。使用金屬鋰時也比LIB使用活性炭造價高。估計進行成本比較時需要綜合考慮這一點。

據(jù)Eamex介紹,該公司已開始向大型電池廠商等提供樣品,這些專業(yè)廠商在評測產(chǎn)品性能時獲得了與該公司同等的結(jié)果。Eamex打算在2011年年內(nèi)建成生產(chǎn)導(dǎo)電性高分子膜的試驗工廠,加緊向電池廠商等樣品供貨用來試制產(chǎn)品的正極材料*3。(記者:吉田 勝,《日經(jīng)制造》)

*3據(jù)Eamex介紹,中國電池廠商也表現(xiàn)出了濃厚的興趣。
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