應用范圍:
高密度精細膜的制作 SN74LS32DR

日本Eamex（總部：大阪府吹田市）SN74LS32D開發出了采用導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）。如果能夠實用化，便有望實現能夠快速充放電的電池。而且充放電周期特性出色，該公司的評測結果顯示，反復充放電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”，SN74LS32DR其最大特點是正極采用了聚吡咯（Polypyrrole）、聚噻吩（Polythiophene）及聚苯胺等導電性高分子膜。負極采用混合有（預注入）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）的正極換成了導電性高分子。電解液與現有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反應來授受電子的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-進入膜狀導電性高分子內部實現了高容量。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反應來交換電子。該圖由《日經電子》根據Eamex的資料繪制。

LIB的電子隨著正極中鋰金屬氧化物的化學反應而移動，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，因此反應很快。因而可實現幾分鐘～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之和的倒數來表示，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厚的導電性高分子膜。由于負離子可進入并吸附在高分子膜內部，因此可獲得較高的靜電容量。

通過采用自主成膜技術實現

Eamex的瀨和表示，此前也有人提出過將導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形成導電性高分子膜的技術，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使用導電性高分子膜的致動器，因在此過程中發現這種高分子膜可用作電極材料，于是開發出了電容器電池。

*2 電解聚合法：通過施加電壓，利用氧化還原反應合成物質的方法。

瀨和表示，此次的電容器電池在成本方面同樣優于LIB。與正極使用鋰金屬氧化物的LIB相比，Eamex公司的導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，這些專業廠商在評測產品性能時獲得了與該公司同等的結果。Eamex打算在2011年年內建成生產導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品的正極材料*3。（記者：吉田 勝，《日經制造》）