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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

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[资源] 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已有1人参与

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
2011/11/18 00:00

　　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。

■日文原文：導電性高分子を使ったキャパシタ、高速充放電と大容量化を?I立

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