積水化學將刷新鋰電池和太陽能電池制造方式

  鋰電世界   “打算以單元的形式開展鋰離子充電電池和染料敏化太陽能電池業(yè)務”（積水化學工業(yè)常務執(zhí)行董事、研發(fā)中心所長上之山智史）。

    積水化學工業(yè)在2013年12月3日召開的新聞發(fā)布會上宣布，將涉足鋰離子充電電池和染料敏化太陽能電池業(yè)務。利用在高功能薄膜材料領域積累的技術，可大幅提高充電電池和太陽能電池的單元生產效率。由此，積水化學不但提供自己擅長的材料，還將直接參與電池單元的制造。

    鋰離子充電電池計劃從2014年夏開始樣品供貨，2015年度全面上市。染料敏化太陽能電池也打算在2015年推向市場。

    容量擴大3倍，同時提高安全性

    積水化學打算涉足的鋰離子充電電池是容量約為目前3倍的層壓型單元（圖1）注1）。該公司在新聞發(fā)布會上展示了容量約為40Ah的大型層壓型單元。能量密度方面，以電壓為3.7V，容量為2.9Ah的層壓型單元為例，單位體積的能量密度達到900Wh/L，單位重量達到340Wh/kg。

    注1）此次的工藝技術是新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）實施的“鋰離子電池應用及實用化尖端技術開發(fā)業(yè)務”的研究成果。

    積水化學開發(fā)出了可利用涂布工序制造的鋰離子充電電池（a）。試制的層壓型單元實現(xiàn)了900Wh/L的能量密度。（圖（b）由《日經電子》根據積水化學的資料制作）

    為增加容量，電池的負極采用硅類材料。積水化學獨自開發(fā)出了在硅和硅氧化物中加入導電用碳材料的負極材料。硅類負極材料在充放電時會大幅膨脹和收縮，難以長壽命化。據積水化學介紹，通過把能量密度限制在提高3倍左右，提高了充放電循環(huán)特性注2）。該公司沒有介紹具體的充放電循環(huán)特性，不過該公司表示，在消費類產品用途可以放心使用。

    注2）采用硅的話，負極容量可以比原來提高約10倍，采用硅氧化物SiO可以提高約5倍。

    積水化學計劃把該公司的鋰離子充電電池用于車載用途，今后預定向汽車廠商供貨樣品進行評測。另外，正極材料采用Li（Ni-Mn-Co）O2，即三元系材料。

    除負極材料外，另一個比較有特點的是，為提高生產效率和安全性，開發(fā)出提高了離子導電度的凝膠電解質。在室溫下實現(xiàn)了比以往的凝膠電解質高一位數的10-3S/cm級離子導電度。

    通過采用凝膠電解質而非有機電解液，消除了液體泄漏的情況，安全性得到提高。而且，原來的有機電解液在制造電池單元時，需要在真空狀態(tài)下注入液體，而凝膠電解質只需在電極板上涂布即可。由此，電池單元全部可以通過連續(xù)處理制造，生產效率可提高至原工序的10倍。通過提高生產效率，預計還有望比原產品大幅降低成本。

    除此之外，由于可制成大面積的薄型柔性電池，因此還能設置在此前無法放進電池的場所。

    可利用通用薄膜

    染料敏化太陽能電池方面，無需高溫燒結，只在室溫下就能制造薄膜型色素增感電池（圖2）。色素增感電池是在TiO2等氧化物半導體層吸附色素，作為光電轉換層利用的有機太陽能電池之一。此次利用產業(yè)技術綜合研究所開發(fā)的陶瓷成膜技術“氣溶膠沉積（AD）法*”，在室溫下形成了TiO2多孔膜，確認了作為色素增感電池的發(fā)電性能注3）。

    積水化學開發(fā)出了可在室溫下制造的染料敏化太陽能電池（a）。在薄膜基板上制作時也實現(xiàn)了8%的轉換效率（b）。（圖（b）由《日經電子》根據積水化學的資料制作）

    *氣溶膠沉積（AD）法＝產業(yè)技術綜合研究所開發(fā)的陶瓷成膜法，利用高速噴涂陶瓷微顆粒物時的沖擊能量成膜的技術。

    注3）此次的開發(fā)是科學技術振興機構（JST）·A-STEP助成及產綜研先進涂布技術平臺研究班活動的一環(huán)。

    采用4mm見方單元的電池發(fā)電效率（積水化學的測量值）在使用玻璃基板時達到9.2%，使用薄膜基板時達到8.0%。據該公司介紹，在采用薄膜基板的染料敏化太陽能電池中獲得了全球最高水平的發(fā)電效率。

    以前，在基板上涂布含TiO2的膏狀物的電池需要在500℃左右的高溫下進行燒結，由于耐熱性的問題，此前難以在通用薄膜上實現(xiàn)色素增感電池。

    而通過此次開發(fā)，還可以在耐熱性低的通用薄膜和膠帶等材料上成膜。另外，無需燒結工序，還能實現(xiàn)卷對卷生產，因此生產效率提高10倍，可大幅降低成本。

    積水化學還開發(fā)出了簡易超聲波裝置，在長度方向的任意位置切割電池單元，都能對單元的熔接和密封進行同時處理。由此，將來可以在施工現(xiàn)場把卷狀電池單元切割成任意長度使用。

    積水化學打算面向室外用途擴銷具備輕量柔性特點的染料敏化太陽能電池。不過，染料敏化太陽能電池的色素會隨著光劣化，因此壽命比結晶硅型太陽能電池短。為此，該公司設想了大約10年的壽命，在劣化后更換模塊的方法。據估算，即使10年更換一次，太陽能電池的模塊成本和設置費用也能低于擁有20年壽命的結晶硅型太陽能電池。

    積水化學預定今后確立量產技術，考慮在住宅等用途應用該公司的產品，同時根據不同的用途廣泛征集業(yè)務合作伙伴。