【納米新技術】燃料電池與充電電池篇：通過改良材料產生新性能

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在電池領域，有很多通過改良材料產生新性能的燃料電池和鋰離子充電電池。例如，在東日本大地震以后，作為應急電源的有力候選關注度迅速升高的燃料電池領域，日本產業綜合研究所展示了採用可搬運固體氧化物型燃料電池（SOFC）的5∼36V直流應急電源系統（圖7）。

圖7：可搬運的SOFC 產業技術綜合研究所開發出了可搬運的SOFC系統。能利用LPG氣瓶驅動（a）。採用了圓筒型電池單元（b）。

發電單元利用產綜研以前就在開發的圓筒型單元，為了能直接使用液化石油氣（LPG），在燃料極的內壁表面設置了以納米級別粒子化的鈰（Ce）。這樣就能防止LPG的主要成分——丁烷造成燃料極劣化，無需設置採用貴金屬催化劑的外部改質器。

該系統可通過LPG燃燒器快速起動，溫度能在2分鐘內達到400℃。產綜研稱：“雖然有很多客戶表示想要這款商品，但制造的時機還不成熟。相對於單元的問題，更需要提高各連接部等的耐久性。”

在燃料電池領域，日本物質及材料研究機構（NIMS）還展示了預防金屬催化劑的凝聚問題，提高催化劑工作效率的技術。利用了在樹枝狀聚合物（Dendrimer）*內選擇性導入粒徑一定的金屬催化劑的效果。比如，將凝聚的金屬納米粒子Pt3Ti粒子的催化劑溶解到樹枝狀聚合物“G5OH”水溶液中。這樣一來，粒徑1∼1.7nm的Pt3Ti就會被導入G5OH分子內部，能夠固定在直接碳載體的表面。

*樹枝狀聚合物＝具備樹枝狀構造的球狀分子的總稱，樹枝狀構造以由數個原子構成的稱為“中心核”的直鏈型分子團為起點，以氨基等為分枝點重復分枝構筑而成。擁有在稱為“通孔”的中空空間容納離子和分子的能力，因此在集中供給藥劑分子的“藥物傳輸（Drug Delivery）”技術方面的應用備受期待。

在催化劑反應之一——氧還原反應中已經確認，與凝聚的金屬催化劑相比可發揮15倍的活性。NIMS 稱：“雖然樹枝狀聚合物的價格比Pt高，但已經確認這種有機分子可作為包接材料使用。以此為契機，應該能開發出低價格的包接材料。”

瞄准硫磺聚合物的商業化

在鋰離子充電電池領域展出了計劃用於新一代產品的正極材料、隔膜和固體電解質等（圖8）。其中，Polythione公司提出了採用硫磺聚合物作為正極材料的鋰聚合物電池方案。該公司已經開發出了合成和制造技術，可利用現有生產線制造。該方案曾被日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）採納，在NEDO的展區進行了實用化商業配對展示。

圖8：還有很多關於鋰離子充電電池的展示 Polythione展示了使硫磺形成聚合物的硫磺電池（a）。帝人參考展示了耐熱性出色、電解液易於注入的隔膜（b）。OHARA公開了厚度僅0.05mm的鋰離子導電玻璃陶瓷（c）。

硫磺材料作為能量密度高的正極材料候補備受關注，但也存在硫磺會溶解到電解液中、不具備導電性，以及難以在空氣中處理等問題。Polythione通過組合二硫鍵和π電子系有機材料，作為可進行多電子反應的有機材料解決了這些問題。利用由45％重量的聚合物構成的正極材料試制的紐扣型電池實現了約260mAh/g的放電容量。Polythione稱“在研究室的試制中確認了約500mAh/g的放電容量”。

帝人展示了雖為耐熱隔膜但提高了電解液滲透性的開發品。該產品採用聚?亞胺無紡布，纖維狀聚?亞胺的直徑隻有約幾百納米，因此空孔率高達71％，電解液的滲透性十分出色。

此外，OHARA公司展示了具備鋰離子導電性的玻璃陶瓷，厚度隻有0.05mm。可作為鋰空氣電池和全固體電池用固體電解質使用。（日經技術在線！ 供稿）