松下開發高容量型和高輸出型有機電池

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【日經BP社報導】松下正致力於正極材料採用有機化合物的有機充電電池的開發，「有機充電電池不含重金屬，受資源限制少，而且能製造出重量非常輕而且柔軟的電池。我們打算利用這些特性開發新的用途」。該公司目前正在開發可實現高容量化的醌型以及可提高輸出功率的四硫富瓦烯（TTF）型有機電池（圖1）。

圖1：開發兩種有機充電電池             松下正在開發能量密度高的醌型和輸出密度高的TTF型有機充電電池。（圖：松下）

這些有機電池的最大特點是，無論採用哪種材料類型，通過使構造材料聚合，都能防止溶解，並大幅提高充放電循環特性（表1）。此前，有機充電電池因有機化合物會隨著充放電而溶解在電解液中，因此長壽命化一直都是一大課題。此次，醌型採用使鄰醌化合物芘-4, 5, 9,10-四酮（PYT）高分子化的高分子PYT（PPYT），TTF型採用合成TTF聚合物後共聚化的共聚TTF聚合物，解決了該問題。


關於高容量化和高輸出化，兩種方式分別利用了不同的充放電反應。醌型與鋰離子充電電池一樣，為鋰離子從電極脫開與嵌入的「鋰穿梭（Shuttle）」型，容易實現高容量。而TTF型為電解液中的陽離子和陰離子均向電極移動的「電容器」型，容易實現高輸出和長壽命。

迴圈充放電500次後保持83％的容量

醌型是松下與京都大學工學研究科有機合成專業教授吉田潤一于2004年前後共同開發的成果。「從零開始設計材料，確立分子結構的概念花了大約2年的時間」（松下）。為實現高容量化，雙方著眼于能盡量在小構造中存儲電子，而且是由不易受資源限制的碳（C）和氧（O）構成的酮。

不過，酮在存儲一個電子的狀態下不穩定，所以雙方著眼于連接2個酮形成環狀構造的環狀1,2-二酮（醌）。另外，為提高電壓，研究了構造的環的尺寸，最終選擇了可實現最高電壓的6元環PYT作為構造材料。

PYT可實現四電子反應，在鋰電位為2.8V和2.2V兩個階段進行充放電反應（圖2）。使PYT實現高分子化的PPYT的初次放電容量為231mAh/g。比容量是鋰離子充電電池正極採用的主流金屬氧化物的約1.4倍。充放電循環特性通過聚合顯示出了優異的結果，迴圈充放電500次後仍保持了83％的容量。另外還可進行快速充放電，以30C充放電可保持90％的容量 注1）。

圖2：可實現四電子反應的醌型             醌型採用了可實現四電子反應的PYT（a）。高分子化的PPYT的平均電壓為2.5V（b）。（圖：松下）

注1） 1C表示在1個小時內為電池充電或放電。因此，30C表示在2分鐘內、100C表示在36秒內進行充放電。

反覆充放電3萬次後仍保持58％的容量

TTF型作為氧化還原反應的場所，通過TTF周圍呈環狀雲一樣分佈的「π共軛電子雲」交換電子（圖3）。這種反應容易實現高輸出化，而且不會出現氧化還原反應的分子結構變化，因此可延長壽命。實際上，通過使TTF聚合併共聚化，大幅提高了充放電循環特性和高速充放電（率）特性。

圖3：利用π共軛電子雲的TTF             TTF型的氧化還元利用了π共軛電子雲（a）。共聚TTF聚合物的平均電壓為3.45V（b）。（圖：松下）

比如，TTF聚合物電池的共聚比*為m/n＝1的共聚TTF聚合物在迴圈3萬次後維持了58％（1萬次循環後為72％）的容量。而以單體利用時反覆充放電1萬次容量就降到了52％。TTF聚合物電池的高速充放電率特性在100C時的容量維持率為72％，也高於單體的56％。

*共聚比＝利用兩種以上的單體重合時各自的比例。

TTF聚合物電池的放電容量為114mAh/g，雖然比單體的130mAh/g降低，但與雙電層電容器採用的活性炭相比可實現2倍的比容量。而且，由於採用了鋰離子，平均電壓高達3.45V，能比雙電層電容器大幅提高能量密度。（記者：狩集 浩志，《日經電子》）

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/elec/64442-20130125.html?ref=ML&limitstart=0

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