產(chǎn)品特性:

• 具備60.80Wh/kg的能量密度
• 功率密度達(dá)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(xì)膜的制作

日本Eamex（總部：大阪府吹田市）開(kāi)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(dá)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(guò)雙電層電容器（EDLC），能量密度“與電動(dòng)汽車(chē)（EV）使用的鋰離子充電電池（LIB）相當(dāng)”（Eamex代表董事瀨和信吾）。如果能夠?qū)嵱没阌型麑?shí)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(píng)測(cè)結(jié)果顯示，反復(fù)充放電1萬(wàn)次以上后，性能劣化較小，使用壽命較長(zhǎng)（表）。


提高正極的靜電容量

Eamex將該蓄電元件稱(chēng)作“電容器電池”，其最大特點(diǎn)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(fù)極采用混合有（預(yù)注入）鋰離子的碳類(lèi)材料，將正負(fù)電極與電解液一同封裝*1。也就是說(shuō)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(jī)溶劑。

*1 試制時(shí)還制造了負(fù)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(shí)，電解液中的負(fù)離子BF4-被吸引到正極的導(dǎo)電性高分子膜，而放電時(shí)則由正極釋放出BF4-，并使其向負(fù)極移動(dòng)（圖2）。與通過(guò)鋰金屬氧化物的化學(xué)反應(yīng)來(lái)授受電子的LIB極為不同。而且負(fù)極與EDLC不同，通過(guò)讓正離子Li+進(jìn)入負(fù)極材料夾層來(lái)進(jìn)行電子交換。這一點(diǎn)與LIB或LIC相同。

電容器電池通過(guò)讓BF4-進(jìn)入膜狀導(dǎo)電性高分子內(nèi)部實(shí)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(guò)鋰金屬氧化物的化學(xué)反應(yīng)來(lái)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(dòng)，因此充放電需要一定時(shí)間。而電容器電池或LIC是隨著離子的移動(dòng)來(lái)交換電子的，因此反應(yīng)很快。因而可實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于LIC的15.20Wh/kg。正如后文將要介紹的那樣，這是因?yàn)檎龢O的靜電容量較高。

一般來(lái)說(shuō)，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(fù)極靜電容量倒數(shù)之和的倒數(shù)來(lái)表示，因此提高正負(fù)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(kāi)始實(shí)用化。LIC通過(guò)預(yù)注入鋰離子來(lái)提高負(fù)極的靜電容量。而電容器電池除了這種方法之外，還通過(guò)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(xì)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(fù)離子可進(jìn)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(guò)采用自主成膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)

Eamex的瀨和表示，此前也有人提出過(guò)將導(dǎo)電性高分子膜作為電極材料的想法，但因無(wú)法制作出可用作電極且具有柔軟性的膜，最終未能實(shí)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(xì)膜。其實(shí)，該公司本來(lái)就一直開(kāi)發(fā)使用導(dǎo)電性高分子膜的致動(dòng)器，因在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這種高分子膜可用作電極材料，于是開(kāi)發(fā)出了電容器電池。

*2 電解聚合法：通過(guò)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(duì)卷工藝制造。其中，通過(guò)采用廉價(jià)的聚苯胺（Polyaniline）“大幅降低了成本”（瀨和）。但負(fù)極需要預(yù)先為碳類(lèi)材料注入鋰離子，這部分需要花費(fèi)成本。使用金屬鋰時(shí)也比LIB使用活性炭造價(jià)高。估計(jì)進(jìn)行成本比較時(shí)需要綜合考慮這一點(diǎn)。

據(jù)Eamex介紹，該公司已開(kāi)始向大型電池廠商等提供樣品，這些專(zhuān)業(yè)廠商在評(píng)測(cè)產(chǎn)品性能時(shí)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(yàn)工廠，加緊向電池廠商等樣品供貨用來(lái)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(guó)電池廠商也表現(xiàn)出了濃厚的興趣。