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使用导电性高分子的电容,同时实现高速充放电与大容量化
http://cn.newmaker.com 11/18/2011 10:24:00 AM  日经BP社
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电池/开关电源展厅
电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ...
日本Eamex(总部:大阪府吹田市)开发出了采用导电性高分子膜的蓄电元件,不仅具备60.80Wh/kg的能量密度,而且功率密度达到了可在几分钟内完成充放电的7000W/kg(图1)。功率密度超过双电层电容器(EDLC),能量密度“与电动汽车(EV)使用的锂离子充电电池(LIB)相当”(Eamex代表董事濑和信吾)。如果能够实用化,便有望实现能够快速充放电的电池。而且充放电周期特性出色,该公司的评测结果显示,反复充放电1万次以上后,性能劣化较小,使用寿命较长(表)。


图1:Eamex开发的“电容器电池”试制品
由导电性高分子膜正极与碳类材料(或金属锂)负极构成。图中串联了3个单元。

提高正极的静电容量

Eamex将该蓄电元件称作“电容器电池”,其最大特点是正极采用了聚吡咯(Polypyrrole)、聚噻吩(Polythiophene)及聚苯胺等导电性高分子膜。负极采用混合有(预注入)锂离子的碳类材料,将正负电极与电解液一同封装*1。也就是说将锂离子电容器(LIC)的正极换成了导电性高分子。电解液与现有EDLC相同,也是含有四氟化硼离子(BF4-)的有机溶剂。

*1 试制时还制造了负极采用金属锂箔的产品。

电容器电池正极的充放电原理与EDLC相似。充电时,电解液中的负离子BF4-被吸引到正极的导电性高分子膜,而放电时则由正极释放出BF4-,并使其向负极移动(图2)。与通过锂金属氧化物的化学反应来授受电子的LIB极为不同。而且负极与EDLC不同,通过让正离子Li+进入负极材料夹层来进行电子交换。这一点与LIB或LIC相同。


图2:正极的差别
电容器电池通过让BF4-进入膜状导电性高分子内部实现了高容量。尽管离子吸附在多孔活性炭表面的EDLC也采用同一原理,但单位体积的容量较小。而且LIB通过锂金属氧化物的化学反应来交换电子。该图由《日经电子》根据Eamex的资料绘制。

LIB的电子随着正极中锂金属氧化物的化学反应而移动,因此充放电需要一定时间。而电容器电池或LIC是随着离子的移动来交换电子的,因此反应很快。因而可实现几分钟~10分钟左右的高速充放电。

而且,电容器电池的能量密度远远高于LIC的15.20Wh/kg。正如后文将要介绍的那样,这是因为正极的静电容量较高。

一般来说,电池或电容器单元的能量与电压的2次方及静电容量成正比。单元的静电容量用正极与负极静电容量倒数之和的倒数来表示,因此提高正负极的静电容量就能提高能量密度。

高能量密度电容器方面,有的LIC已开始实用化。LIC通过预注入锂离子来提高负极的静电容量。而电容器电池除了这种方法之外,还通过采用导电性高分子提高了正极的静电容量。而且,电压为与LIC同等的4V左右。因此,可获得数倍于LIC的能量密度。

电容器电池的正极由直径约0.5nm的超细导电性高分子变成膜状之后形成。此次试制的电容器电池单元在作为集电体的30μm厚铝箔表面生成了50μm厚的导电性高分子膜。由于负离子可进入并吸附在高分子膜内部,因此可获得较高的静电容量。

通过采用自主成膜技术实现

Eamex的濑和表示,此前也有人提出过将导电性高分子膜作为电极材料的想法,但因无法制作出可用作电极且具有柔软性的膜,最终未能实用化。Eamex拥有采用电解聚合法*2形成导电性高分子膜的技术,因此可制作出用作电极的高密度精细膜。其实,该公司本来就一直开发使用导电性高分子膜的致动器,因在此过程中发现这种高分子膜可用作电极材料,于是开发出了电容器电池。

*2 电解聚合法:通过施加电压,利用氧化还原反应合成物质的方法。

濑和表示,此次的电容器电池在成本方面同样优于LIB。与正极使用锂金属氧化物的LIB相比,Eamex公司的导电性高分子膜可采用基于电解聚合法的卷对卷工艺制造。其中,通过采用廉价的聚苯胺(Polyaniline)“大幅降低了成本”(濑和)。但负极需要预先为碳类材料注入锂离子,这部分需要花费成本。使用金属锂时也比LIB使用活性炭造价高。估计进行成本比较时需要综合考虑这一点。

据Eamex介绍,该公司已开始向大型电池厂商等提供样品,这些专业厂商在评测产品性能时获得了与该公司同等的结果。Eamex打算在2011年年内建成生产导电性高分子膜的试验工厂,加紧向电池厂商等样品供货用来试制产品的正极材料*3。(记者:吉田 胜,《日经制造》)

*3据Eamex介绍,中国电池厂商也表现出了浓厚的兴趣。

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·佳工网友 邓波 (Email) 于9/30/2015 12:20:00 PM评论说:
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