積水化學(xué)刷新太陽能電池和鋰電池制造方式

“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(wù)”(積水化學(xué)工業(yè)常務(wù)執(zhí)行董事、研發(fā)中心所長上之山智史)。

積水化學(xué)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(wù)。利用在高功能薄膜材料領(lǐng)域積累的技術(shù)，可大幅提高充電電池和太陽能電池的單元生產(chǎn)效率。由此，積水化學(xué)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(jì)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(kuò)大3倍，同時提高安全性

積水化學(xué)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(dá)到900Wh/L，單位重量達(dá)到340Wh/kg。

注1)此次的工藝技術(shù)是新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)實(shí)施的“鋰離子電池應(yīng)用及實(shí)用化尖端技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)”的研究成果。

積水化學(xué)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(shí)現(xiàn)了900Wh/L的能量密度。

圖1

為增加容量，電池的負(fù)極采用硅類材料。積水化學(xué)獨(dú)自開發(fā)出了在硅和硅氧化物中加入導(dǎo)電用碳材料的負(fù)極材料。硅類負(fù)極材料在充放電時會大幅膨脹和收縮，難以長壽命化。據(jù)積水化學(xué)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(fèi)類產(chǎn)品用途可以放心使用。

注2)采用硅的話，負(fù)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(xué)計(jì)劃把該公司的鋰離子充電電池用于車載用途，今后預(yù)定向汽車廠商供貨樣品進(jìn)行評測。另外，正極材料采用Li(Ni-Mn-Co)O2，即三元系材料。

除負(fù)極材料外，另一個比較有特點(diǎn)的是，為提高生產(chǎn)效率和安全性，開發(fā)出提高了離子導(dǎo)電度的凝膠電解質(zhì)。在室溫下實(shí)現(xiàn)了比以往的凝膠電解質(zhì)高一位數(shù)的10-3S/cm級離子導(dǎo)電度。

通過采用凝膠電解質(zhì)而非有機(jī)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(jī)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(zhì)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(chǎn)效率可提高至原工序的10倍。通過提高生產(chǎn)效率，預(yù)計(jì)還有望比原產(chǎn)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(shè)置在此前無法放進(jìn)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?zé)Y(jié)，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(dǎo)體層吸附色素，作為光電轉(zhuǎn)換層利用的有機(jī)太陽能電池之一。此次利用產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)的陶瓷成膜技術(shù)“氣溶膠沉積(AD)法*”，在室溫下形成了TiO2多孔膜，確認(rèn)了作為色素增感電池的發(fā)電性能注3)。

圖2

積水化學(xué)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(shí)現(xiàn)了8%的轉(zhuǎn)換效率(b)。(圖(b)由《日經(jīng)電子》根據(jù)積水化學(xué)的資料制作)

*氣溶膠沉積(AD)法=產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(shù)。

注3)此次的開發(fā)是科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)˙A-STEP助成及產(chǎn)綜研先進(jìn)涂布技術(shù)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(xué)的測量值)在使用玻璃基板時達(dá)到9.2%，使用薄膜基板時達(dá)到8.0%。據(jù)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(jìn)行燒結(jié)，由于耐熱性的問題，此前難以在通用薄膜上實(shí)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(jié)工序，還能實(shí)現(xiàn)卷對卷生產(chǎn)，因此生產(chǎn)效率提高10倍，可大幅降低成本。

積水化學(xué)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(jìn)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(xué)打算面向室外用途擴(kuò)銷具備輕量柔性特點(diǎn)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(jié)晶硅型太陽能電池短。為此，該公司設(shè)想了大約10年的壽命，在劣化后更換模塊的方法。據(jù)估算，即使10年更換一次，太陽能電池的模塊成本和設(shè)置費(fèi)用也能低于擁有20年壽命的結(jié)晶硅型太陽能電池。

積水化學(xué)預(yù)定今后確立量產(chǎn)技術(shù)，考慮在住宅等用途應(yīng)用該公司的產(chǎn)品，同時根據(jù)不同的用途廣泛征集業(yè)務(wù)合作伙伴。