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日本开发出3倍能源密度的电双层电容器 充放电仅需12秒 |
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| http://cn.newmaker.com
3/13/2009 4:52:00 PM
日经BP社
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东京农工大学研究生学院开发出了单位体积能源密度为20Wh/l的电双层电容器“纳米混合电容器”。能源密度约为现有电双层电容器（EDLC）的3倍。如果实用化的话，有望作为再生能源的蓄电装置和混合动力车等的再生装置使用。正极采用与原EDLC相同的活性炭，负极采用了Li4Ti5O12（钛酸锂），提高了能源密度。另外，通过将Li4Ti5O12的粒径纳米结晶至5～20nm左右后包覆在碳纳米纤维上，较原EDLC缩短了充放电时间。
该电容器在充电时，锂离子和电子吸附在负极上，进而扩散到电极内形成Li7Ti5O12。放电时通过逆反应释放电子。此前曾发布过通过在负极采用Li4Ti5O12来提高能源密度的EDLC，不过Li4Ti5O12的电传导率较低，且锂离子的扩散常数较小，吸附并进入负极（intercalation，夹层作用）的速度较慢，因此存在功率密度极小、充放电时间长的缺点。纳米混合电容器通过将Li4Ti5O12纳米粒子化缩短了扩散距离，从而将其与锂离子的反应时间缩短至原来的1/2000，同时通过使用碳纳米纤维提高了电传导率。这样，充放电时间从原来使用Li4Ti5O12的EDLC时的1.5分钟～1小时左右缩短到了12秒。比负极使用活性炭的现有EDLC的充放电时间（15秒）还要短。制造负极时，将纳米粒子化后的Li4Ti5O12和碳纳米纤维进行离心力处理，在碳纳米纤维的外部和内部均匀地包覆了Li4Ti5O12。
可安全、长期地使用
该电容器的安全性也很高。原因是，负极电压为1.55V，高于电解液的还原分解电压，因此原理上不会引发电解液的气化等。大容量电容器方面，锂离子吸附并进入负极的锂离子电容器已经上市，但存在电压一降低电解液就会产生气化等问题。经验证，该电容器在保证性能的情况下可反复充放电1万次以上，可靠性也不逊色于现有的EDLC。
开发是由东京农工大学研究生学院的直井研究室和该院的“电容器科技讲座”（日本嘉美功的赞助讲座）共同开发而成。产品化方面，“今后考虑扩大规模，目前尚未确定”（日本嘉美功基础研究中心功能性材料研究室室长玉光贤次），不过“材料成本基本与现有EDLC相同，如果实现量产的话足以形成竞争”（玉光贤次）。采用了像锂离子电容器一样没有夹层作用的“量产性更高的技术”（玉光贤次），也有利于提高生产效率和降低制造成本。电解液方面，“由于负极电位较小，因此选择的范围很大”（东京农工大学研究生学院教授直井胜彦），今后还将考虑使用离子液体等。
直井教授等以前一直研究负极采用Ru02（氧化钌）的大容量电容器，“虽然其性能非常高，但材料成本过高。而Li4Ti5O12的性能和成本均符合实用水平”（直井教授）。目前，负极的Li4Ti5O12的比例为50～70％左右，通过将该比例提高至80％左右，有望进一步提高能源密度。另外，目前新能源产业技术综合开发机构（NEDO）正在推进开发使用碳纳米管的大容量电容器，由于日本嘉美功和东京农工大学也参与了该项目，因此今后还计划把该技术运用到该项目中去。
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