【纳米新技术】燃料电池与充电电池篇：通过改良材料产生新性能

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在电池领域，有很多通过改良材料产生新性能的燃料电池和锂离子充电电池。例如，在东日本大地震以后，作为应急电源的有力候选关注度迅速升高的燃料电池领域，日本产业综合研究所展示了采用可搬运固体氧化物型燃料电池（SOFC）的5～36V直流应急电源系统（图7）。

图7：可搬运的SOFC 产业技术综合研究所开发出了可搬运的SOFC系统。能利用LPG气瓶驱动（a）。采用了圆筒型电池单元（b）。

发电单元利用产综研以前就在开发的圆筒型单元，为了能直接使用液化石油气（LPG），在燃料极的内壁表面设置了以纳米级别粒子化的铈（Ce）。这样就能防止LPG的主要成分——丁烷造成燃料极劣化，无需设置采用贵金属催化剂的外部改质器。

该系统可通过LPG燃烧器快速起动，温度能在2分钟内达到400℃。产综研称：“虽然有很多客户表示想要这款商品，但制造的时机还不成熟。相对于单元的问题，更需要提高各连接部等的耐久性。”

在燃料电池领域，日本物质及材料研究机构（NIMS）还展示了预防金属催化剂的凝聚问题，提高催化剂工作效率的技术。利用了在树枝状聚合物（Dendrimer）*内选择性导入粒径一定的金属催化剂的效果。比如，将凝聚的金属纳米粒子Pt3Ti粒子的催化剂溶解到树枝状聚合物“G5OH”水溶液中。这样一来，粒径1～1.7nm的Pt3Ti就会被导入G5OH分子内部，能够固定在直接碳载体的表面。

*树枝状聚合物＝具备树枝状构造的球状分子的总称，树枝状构造以由数个原子构成的称为“中心核”的直链型分子团为起点，以氨基等为分枝点重复分枝构筑而成。拥有在称为“通孔”的中空空间容纳离子和分子的能力，因此在集中供给药剂分子的“药物传输（Drug Delivery）”技术方面的应用备受期待。

在催化剂反应之一——氧还原反应中已经确认，与凝聚的金属催化剂相比可发挥15倍的活性。NIMS 称：“虽然树枝状聚合物的价格比Pt高，但已经确认这种有机分子可作为包接材料使用。以此为契机，应该能开发出低价格的包接材料。”

瞄准硫磺聚合物的商业化

在锂离子充电电池领域展出了计划用于新一代产品的正极材料、隔膜和固体电解质等（图8）。其中，Polythione公司提出了采用硫磺聚合物作为正极材料的锂聚合物电池方案。该公司已经开发出了合成和制造技术，可利用现有生产线制造。该方案曾被日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）采纳，在NEDO的展区进行了实用化商业配对展示。

图8：还有很多关于锂离子充电电池的展示 Polythione展示了使硫磺形成聚合物的硫磺电池（a）。帝人参考展示了耐热性出色、电解液易于注入的隔膜（b）。OHARA公开了厚度仅0.05mm的锂离子导电玻璃陶瓷（c）。

硫磺材料作为能量密度高的正极材料候补备受关注，但也存在硫磺会溶解到电解液中、不具备导电性，以及难以在空气中处理等问题。Polythione通过组合二硫键和π电子系有机材料，作为可进行多电子反应的有机材料解决了这些问题。利用由45％重量的聚合物构成的正极材料试制的纽扣型电池实现了约260mAh/g的放电容量。Polythione称“在研究室的试制中确认了约500mAh/g的放电容量”。

帝人展示了虽为耐热隔膜但提高了电解液渗透性的开发品。该产品采用聚酰亚胺无纺布，纤维状聚酰亚胺的直径只有约几百纳米，因此空孔率高达71％，电解液的渗透性十分出色。

此外，OHARA公司展示了具备锂离子导电性的玻璃陶瓷，厚度只有0.05mm。可作为锂空气电池和全固体电池用固体电解质使用。（日经技术在线！ 供稿）