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日本發表具滅火機能電解液:可望發展安全、高能量密度新型乾電池
作者:沈淑菁(編譯自科學新聞/2017/12/08) 現職:留日學人
文章來源:取材自科學新聞2017/12/08
發佈時間:2018.03.28
日本東京大學大學院工學系研究科的山田淳夫教授等人的研究團隊,與物質・材料研究機構能源・環境材料研究據點的館山佳尚團隊長等,共同開發具備滅火機能的高性能有機電解液。此種電解液僅由難燃性有機溶媒TMP與高濃度電解鹽NaFSA構成,本身不具備閃點(Flash point)。當溫度上升至200度C以上,電解液會變成蒸氣並擴散,並已證實具備滅火機能。在應用為充電式電池的性能方面,也已經過千次以上,一年間持續反覆進行充放電實驗,結果顯示沒有出現劣化情況。預估在實用化後,可直接利用現有的充電式電池生產線進行量產。此研究成果可望促使既安全又擁有高能源密度之新型乾電池問世。

以鋰離子電池為首的充電式電池,其有機電解液中的電解質鹽濃度之最大離子傳導性,以每公升1莫耳為最佳數值。能夠發揮電池性能,又能夠滿足此條件的,便是鋰鹽與有機溶媒的組合。因此鋰離子電池商品問世25年以來,都是採用六氟磷酸鋰與碳酸酯類的溶媒。然而研究團隊在2014年發現,讓電解質鹽高濃度化至每公升3莫耳的程度時,其他種類的電解液組合,也能發揮性能。

研究團隊開始探索高濃度電解液的材料,因而成功開發出TMP與NaFSA,此種具有滅火功能的有機電解液組合。在日本的消防法中,一般鋰離子電池的有機電解液,被歸類為與燈油同級別,閃點40℃以下的可燃液體。有機電解液同時也是電池起火與爆炸的主因。此外,由於此危險因素,使得鋰離子電池的尺寸與形狀、電壓在製造過程中受到諸多限制。

另一方面,此次開發的電解液,本身沒有閃點,在200℃左右便會蒸發,擴散出的蒸氣具滅火性質。研究團隊將其使用於鋰離子電池以及鈉離子電池專用的碳負極,經過千次以上反覆充放電,電池本身也幾乎沒有產生劣化,證實其與電池正極間具備優良的適應性。所謂的閃點是指液體加熱後,接近火源時,燃燒的最低溫度。

實際上將此新型電解液組合用於充電式電池,結果顯示電池充電時,發熱的性質依舊沒有改變,但電解液卻毫無爆炸的可能。雖然目前用於此種電解液的化合物材料還沒有量產,但技術上量產化是有可能實現的。只要能夠實現量產,現今充電式電池因為引火性在製造上所受到的限制可望就此消失,業界得以製造出高能源密度與大型的充電式電池。

研究團隊今後將針對此新型電解液組合的毒性,以及性能發揮的機制,詳細深入調查,同時計劃與民間企業共同進行研究。
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