全固态电池 日本主流厂商研发动向

全固态电池是决定电动汽车(EV)及IoT(物联网)普及的关键因素,如今技术研发竞争愈演愈烈。

全固态电池的原理与锂离子电池基本相同,最大的区别是电极间电解质是液体还是固体。锂离子电池采用了液体电解质具有可燃性,一旦破损有可能起火。相反,全固态电池采用固体电解质没有泄露的危险。另外固体电解质锂离子移动的速度快,因此能够缩短充电所需的时间。日本计划2020年中旬实现普及,目前正为实现量产开展各项技术研发。

作为动力源,高能锂离子电池每公斤的能源输出量为200∼250千瓦时,而全固态电池约为锂离子电池的2倍。另外,锂离子电池由于离子溶出到电解液中,反复充放电时性能将随之下降,而全固态电池离子不溶解,因此电池寿命更长。根据国际能源署(IEA)报道, 2017年全球销售的100万台以上的EV和插电式混合动力汽车(PHEV)几乎全部采用了锂离子电池,2020年中期开始全固态电池的采用率将升高。据富士经济预测,全固态电池的市场规模在2030年将达到3300亿日元,之后将急剧增加,到2035年全固态电池的市场规模将达到约2兆8千亿日元。

■全固态电池在宇宙、汽车、IoT领域的发展

预计全固态电池的实用将始于电子设备及传感器,FDK展示如半导体芯片一样大小的超小型筐体,该产品计划在2020年发售。

汽车厂商均进入技术研发白热化。丰田和松下将在2020年成立车载电池新公司,共享大容量锂离子电池和全固态电池技术。

全固态电池的应用领域不仅在地球上,日前也发展到宇宙领域。日本特殊陶业公司已将自主研发的全固态电池提供给日本太空公司ispace用于宇宙探索,该公司计划2021年发射月球探测器。日立造船也已开始全固态电池AS-LiB的样品供货,计划今年内将在大阪投产。据悉该电池在摄氏100度以上的高温下也能工作,适用于宇宙领域。

■全固态电池零部件开发竞争同样激烈

在全固态电池热潮下,电解质、正极材料、负极材料等主要材料生产企业也展开了激烈的技术竞争。三井金属在固体电解质、正极材料、负极材料的研发上均有涉猎。

固体电解质方面,三井金属公司在以硫磺、锂、磷等为原材料的电解质方面新研发了各原材料的烧结技术,目标不仅限于批量生产,预计将在2025年前后实用。日本有色金属资源及材料制造商JX金属在电解质开发方面已与东日本钛金属展开合作。日本第二大石油公司出光兴产公司与汽车厂商等进行技术研发合作,并已获得相关专利,计划2020年实用。

正极材料是锂离子电池发展的关键,目前正极材料的原材料大多采用钴等稀有金属。住友金属矿山公司将传统的正极材料应用到了全固态电池中。而住友化学正在开发新型正极材料,其中将不再使用稀有金属,取而代之的是镍或锰。

负极材料是保持电池充电状态的关键,大大左右着电池的容量。日本GSYUASA公司通过利用金属硅开发出了可实现约3倍能量密度的产品。

全固态电池领域日本领先于世界。日本新能源产业的技术综合开发机构(NEDO)是促进科技产品转化的军师,丰田、松下、旭化成等企业均在研发框架中。轻质大容量新型电池“空气电池”的研发竞争等新潮流不断涌现,全固态电池的商用化步伐正在不断扩大。

参考日本报道原文:http://rrd.me/edMqj

 

快讯:车载电池技术方向

车载电池是搭载在用马达驱动的车辆上的电池,例如电动汽车(EV)或插电式混合动力车(PHV)等。与传统的汽油车上使用的铅蓄电池和镍氢电池相比,车载电池是一种储电量更大的锂离子电池并占据着市场主流地位。

日本在PHV、EC的实用化上具有世界先进性。因此,在电池等主要零部件方面,松下等日本厂商一直占据主导地位。但近年来中国成为世界最大的EV市场,车载电池产业发达。2017年宁德时代新能源科技(CATL)在车载电池领域的全球市场占有率为16%,跃居全球之首。松下转为第二,其次是中国比亚迪、韩国LG化学等。

未来车载电池的技术方向仍是延长续航里程,当务之急是开发新材料及新结构的电池。而丰田等则正在积极推动全固态电池的研发进程。

参考日本报道原文:http://c7.gg/f3MWf

快讯:雅马哈发布新型燃料电池车

日本雅马哈发动机公司开发出了新款小型燃料电池车(FCV)的试制模型,型号为YG-M FC。据悉计划2019年4月18日起在日本石川县轮岛市进行试验。将在一周约3公里的市区路线以低速反复行驶来验证该车型的行驶性能及操作性。

雅马哈发动机公司开发的燃料电池车YG-M FC

图片来源:雅马哈发动机公司

该车型续航里程是同系电动车(EV)的4~5倍,据悉一次充电可行驶150~200公里。不但大大缩短了补给耗时、提高了车辆的稼动率,且相同距离下一辆FCV的成本比两辆EV还要低。

燃料电池系统通过后轮驱动行驶,该系统由雅马哈发电机公司与合作伙伴企业共同研发而成。车体后座下方安装有电动机、圆形氢气罐、FC电池组及驱动电池包。

图片来源:雅马哈发动机公司

包括司机在内可乘坐4人,车身长3370×宽1340×高1710毫米,车辆重量640公斤。这款小型车主要适用于机场、工厂、动物园等场地内。

雅马哈表示未来将接入多种移动性能到MaaS(移动服务)中,并已开始相关技术的研发。

参考日本报道原文:http://kks.me/bp7tt

燃料电池PK二次电池 发展中的共生与超越

燃料电池在日本主要应用于汽车领域,在国际上的应用更加广泛,已不断开发出在叉车、无人机、列车上的应用产品。全球企业不断开发燃料电池产品,快速占领市场的趋势引人关注。

■预测FC全球市场规模2030年是2018年的23倍

2019年1月富士经济公布了FC系统(燃料电池系统)的市场预测报告,据悉2030年的FC全球市场规模约是4.9万亿日元,约是2018年的23倍。若将补给氢能的基础设施市场包含在内,市场规模将更大。

FC系统全球市场规模预测(富士经济)

根据对燃料电池组不同技术市场前景的预测结果,固体高分子型燃料电池(PEFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的市场规模在发展前期呈现出的状态基本相同,但后期的发展趋势将发生显著变化,据数据显示2030年PEFC的市场占有率将超过90%。

PEFC与SOFC市场前景对比(富士经济)

这看似乐观的市场预测果真如此吗?在此有必要对竞争技术——液态锂离子二次电池(后统称LIB)做到知己知彼方可避免盲从。

■FC对比LIB

据下表综合对比来看,燃料电池(后统称FC)的明显优势在于能量密度高、充电时间短、大容量化的成本低。

(1)重量能量密度方面,在考虑了燃烧效率的前提下,包括有电池组、高压罐、调节器等的FC系统的重量能量密度约是LIB的5倍以上。

(2)充电时间方面,FC具有强大优势。虽LIB可缩短充电时间,但会伴有发热、早期劣化、输送超高电压等副作用。充电时间的差异化影响在巴士、卡车等大型车上更加明显。FC卡车20分钟即可完成加氢补给,EV卡车即使使用快速充电系统(50KW),充电耗时至少在10小时以上,换成150KW,充电耗时也要3个半小时以上。据下图分析可知,续航距离越长EV卡车在开工率方面的差距越大。

长距离行驶对比

(3)大容量化的成本低,此优势在于续航里程越远成本越低。将FC电池组大型化时仅需加大氢气罐或增加数量即可。尽管FCV配备的氢气罐体积大,但因原材料多采用树脂或碳纤维,所以重量上有优势。氢本身的质量是 5kg(丰田FCV –MIRAI),即使将此数值乘以10倍,也比LIB电池包的重量轻很多。

■LIB对比FC

貌似完美的FC实际上也存在着不足:(4)短距离使用时电能利用效率低(5)负荷响应性低(6)难以进行高功率输出(7)补给基础设施少——现有加氢站数量明显不足。但乐观的是这些不足有望解决。

(4) FC的电能利用效率低,仅为LIB的一半。LIB可在充电后直接输出电能,而FC电能利用效率低的原因在于它的输出过程,首先需要将电力转换为氢、再将氢压缩或液化后搬运、使用时再由氢转换为电能。

FC与LIB电池组效率对比

(原图:由日经 xTECH根据英国Riversimple公司资料制作而成)

续航距离与效率的关系 (已考虑车辆重量等因素)

(原图:由日经 xTECH根据英国Riversimple公司资料加工而成)

为提高EV的续航距离而配置上大容量电池的话,因电池在搬运中会耗费较多电能,所以实际效率将低于FCV。这一点在无人机上体现得更明显,如果电池重量能量密度低,增加容量反而会使续航时间缩短。因此对长途汽车来说,(4)反而是FC的优势。

短距离运行时FC的效率低、(5)负荷响应性低、(6)难以进行高功率输出,也许不是马上就能解决的问题,但最近推出的很多FCV已通过搭载与小型EV同等或以上容量的LIB、双电层电容器解决了这些问题。因此近期的FCV实际为混合动力,使用LIB的目的在于弥补FC弱项。

(7)FCV补给设施少,在补给设施方面LIB存在明显优势。在用途上各有特点:LIB适用于短途汽车。FCV适用于长途大巴/卡车、无人机/飞机等。

EV与FCV用途特点

随着自动驾驶技术及移动服务“MaaS”的普及,未来FC在汽车上的使用依然将成为主流。顺应趋势,美国Plug Power公司已开始与本国大学科研团队合作共同研究为FCV自动供给氢能的机器人。

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参考日本报道原文:http://uee.me/aSFnP

2019全固态电池实用里程碑之年

全固态电池的实用化已近在眼前。全固态电池具有良好安全性及易于大容量化等特点。日本电子元件生产商TDK公司计划近期内批量生产小容量小型产品,同时预计到2020年前期将在汽车上配置大容量产品,有望取代锂离子二次电池。虽然完全普及还需要一段时间,但纵观全局今年将是全固态电池实用的里程碑之年。

目前的锂离子电池机理上是通过锂离子来回于充满液体电解质的正极和负极之间的“水槽”进行充放电。与此相对,全固态电池的电解质为固体,突出的优势主要有:

目前,最接近实用的是一种在电解质中使用了陶瓷材料的小型电池。这种电池由电子零部件企业利用层合陶瓷电容器等技术进行开发。TDK公司已开发贴装在基板上的芯片型固态充电电池,名为“CeraCharge”,官方表示“如果置换为纽扣电池,可使搭载设备小型化,也可进行充电”, 目前这款电池每月生产3万件样品,计划今年内正式批量生产。同一领域,富士通旗下电子零部件制造商FDK公司也从去年12月开始了样品供货,村田制作所也预计在2019年度投产。虽然各厂商电池在容量上多少有些差异,但在产品方向上都主要瞄准了小型IoT(物联网)及可穿戴设备。

TDK公司芯片型固态充电电池

另一方面,使用含有硫化物的无机电解质材料的电池也已开始实用,首当其冲的厂商是日立造船。该公司开发了厚度仅为0.3毫米的薄片电池,目标2019年度内实现商品化并已启动样品供货。该公司利用子公司的压力机技术,确立了粉末电解质压固技术。与现有将液体多次干燥形成固体的方法相比可省略工程、降低成本。官方表示“将首先向特殊用途方向出售产品,例如在宇宙空间使用的电子设备等。”预计将来还将向大需求市场的汽车行业提供产品。

日立造船生产的薄片电池

丰田汽车于2017年10月在东京车展上就已宣布将在2020年前期完成全固态电池的商品化。计划到2030年为止将在车载电池开发及生产上投资1.5万亿日元,目前正与东京工业大学等开展相关研发项目,在去年12月宣布的与松下的合作内容中也包括了全固态电池的开发及生产。

目前,美国在电池领域的风险投资发展显著,中国势头也很猛进,时下世界范围内的开发竞争十分激烈,日本虽在材料等方面拥有最尖端的技术,但能否继续由日本掌握主导权目前还是个未知数。据富士经济表示,全固态电池市场在2017年仅为21亿日元,到2035年预计将扩大到2兆7877亿日元。能否在这个极具潜力的市场中生存下去,关键在于今后几年的不断努力。

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参考日本报道原文:http://suo.im/5iSQwX

 

 

世界首例低成本造氢技术成功 成本降低50%

氢能源能否普及的关键是降低成本。近日由日本JXTG能源、千代田化工建设、东京大学、澳洲昆士兰理工大学组建的共同研究组于2019年3月在澳大利亚联合宣布,世界首例低成本造氢的技术验证获得了成功。这次技术验证是东京大学主办的旨在构建氢供应链合作研究项目的一环。

此次技术验证于2018年12月5日至2019年3月14日在澳大利亚、日本进行。利用昆士兰理工大学的聚光型太阳能发电设备发电,通过有机氢化物电解合成法制造的MCH运送到日本后成功地获取了氢。

技术验证现场

氢作为新一代能源因燃烧时不排放CO2而备受关注。另一方面,为了实现普及整个氢供应链都需要降低成本。因此共同研究组以控制成本为目标,对可简化有机氢化物制造的工程进行了技术验证。

有机氢化物是一种可储存、可运输氢气的物质。因直接储藏和运输氢气时需要高压罐等,所以成本上一直存在课题。在此背景下,利用有机氢化物等适应常温常压的“氢载体”进行储存、运输氢气已成为研究方向。

【有机氢化物电解合成法】示意图

以往在储藏、运输氢气时需要将水电解产生的氢气储藏在罐中,再转换为甲基环己烷(MCH)进行运输。此次共同研究组的科研成果称为由水和甲苯直接制造的“有机氢化物电解合成法”。 与以往技术相比可大幅度简化制造MCH的工程、降低成本——可将制造MCH的相关设备费降低约50%。为使这项制造技术实用化,共同研究组将继续进一步技术开发。

以往技术与【有机氢化物电解合成法】成本对比

数值为制氢量6000Nm3/h时的设备费用

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参考日本报道原文:http://suo.im/4OOStp

日本将投建世界级制氢设备

2020年东京奥运会加速了氢燃料的普及。 东京电力控股公司(HD)与中部电力公司共同出资的JERA决定加入氢能源生产,联合日本JXTG能源集团建造世界级制氢设备。

日本JXTG能源集团、东电HD下属的火力事业公司及东电FP 公司于22日签署并发表了有关在东京新设氢气站的基本协议。在东电FP的大井火力发电站(东京·品川)一角建造氢气站。投资额为数十亿日元。今年4月东电和中部电力将把火力事业合并到JERA,实际业务由JERA和日本JXTG能源集团共同完成。目前,JXTG已在横滨市开展制氢,氢气站已在全国普及40余处。

日本调查公司富士经济表示,日本把氢作为燃料使用的需求以燃料汽车(FCV)为中心。虽有预测到2030年该市场将达到1446亿日元,但现阶段看,除FCV以外的支柱是氢气发电。JXTG与松下公司合作,已从今年开始在横滨市开展纯氢燃料电池的实证实验。通过氢与氧反应发电后,向氢气站相邻的低层建筑供电。

根据实验结果,还将在东京晴海正在建设的奥运村中使用氢燃料电池。奥运会结束后,选手村址上将建起高层公寓,也将使用纯氢燃料电池发电。东京煤气公司已开始为此开发必要的氢气管道。据悉,东京奥运会时将投入使用100辆氢燃料电池大巴。因行驶过程中不会排放二氧化碳,可以说是终极环保车。配合选手村等使用有助于呼吁这种清洁能源的普及。

世界上正在展开氢研发竞争。2018年9月世界首次使用燃料电池的“氢燃料电车”开始营运。韩国现代汽车也表示,将在未来5年内在瑞士销售1000辆燃料电池卡车。同时,人们对氢的蓄电能力也寄托厚望,目前正在欧洲等地进行研发。

研发课题就是成本。在日本,丰田汽车和本田将发布的FCV每台价格将在700万日元左右(约43万RMB)。一处氢补给站的投资金额约为5亿日元(约3052万RMB)。因此能源业界也有人表示:“FCV数量没有增加的话,没法建造氢气补给站。”可以说这就是先有鸡先有蛋的问题。

氢是一种公认的益于环境的能源。可通过太阳能、风力、水力制造。氢补给站有固定式、车载移动式。到目前为止,降低成本依然是氢能源能否普及的关键。

参考日本报道原文:http://c7.gg/f2rPy

比亚迪在日本发布新EV巴士 价格低于市场50倍

中国比亚迪(BYD)日本分公司今日宣布,将向日本市场投放新款小型电动巴士(EV巴士),在日本的小型巴士中这款车的续航里程将是最长的。目前比亚迪在日本供应了21辆电动巴士,未来5年内这款新型车的销售目标将达1000台。

新型车全长7米、车宽2米、车高3米。一次充电可运行3小时、续航里程可达200公里。这款车采用了一定程度上组装好的零件组“模块部件”,所以在维护时可像模块一样接合,轻而易举更换零件。在日本电动巴士售价一般在1亿日元左右(约611万RMB),如此高价一直是市场课题。据悉,比亚迪的新型车在日本的市场定价为税后1950万日元(约11.9万RMB),价格优势可见一斑。

BYD集团在世界50个国家和地区共交付了5万辆电动巴士。2015年日本在京都市投入使用电动巴士后,目前合计供应有21辆。日本汽车厂商方面,有计划在2020年东京奥运会时,由丰田公司供应3000辆燃料电池车(FCV)和EV等。随着世界范围内对二氧化碳(CO2)及排放气体环保规定日趋严格,汽车行业有必要采取相应的环保措施。但主要日本汽车厂商在开发EV公交方面持消极态度。

3月25日在东京举行的记者招待会上,BYD日本分公司副社长花田晋作表示:“社会老龄化下,使用公交的老年人不断增加,地方线路的巴士需求也在增加。BYD将以更便于采购的价格推进EV巴士普及”。

参考日本报道原文:http://rrd.me/edD8T

丰田 以高速率放电的“空气电池”

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空気電池

空气电池

 

公開番号: JP2019029287A

公开(公告)号: JP2019029287A

 

出願番号: JP2017150019

申请号: JP2017150019

 

出願人: トヨタ自動車株式会社

申请(专利权)人: 丰田汽车株式会社

 

発明者: 広瀬  寛

发明(设计)人: 広瀬  寛

 

 

代理人: 山本  典輝,山下  昭彦,岸本  達人

代理人: 山本  典輝,山下  昭彦,岸本  達人

 

国際特許分類: H01M 12/06,H01M 4/86

国际分类号: H01M 12/06,H01M 4/86

 

公開日: 2019-02-21

公开日: 2019-02-21

 

出願日: 2017-08-02

申请日: 2017-08-02

 

要約:

摘要:

 

【課題】高レートでの放電が可能な空気電池を提供する。【解決手段】  正極と、電解液を含むセパレータと、負極と、を有する空気電池であって、正極は、同一平面上に、担体と、担体に多層に担持された触媒を含む触媒層と、を複数有するとともに、各触媒層間に隙間を有し、各触媒層は、セパレータに接触しているとともに、セパレータ平面よりも突出していることを特徴とする空気電池とする。【選択図】図1

【课题】 本发明提供一种能够以高速率进行放电的空气电池。【解决方案】 本发明提供一种空气电池,其具有正极、含有电解液的隔膜和负极,正极在同一平面上,具有多个载体和在载体上多层担载的含有催化剂的催化剂层的同时,还具有多个催化剂层,在各催化剂层间具有间隙,各催化剂层与隔板接触,并且与隔板接触,一种空气电池,其特征在于,比隔板平面更突出。【选择图】 图1

発明の詳細な説明:

说明书:

 

本願は、空気電池を開示する。

本申请公开了空气电池。

 

正極活物質として酸素を利用する空気電池は、エネルギー密度が高く、小型化及び軽量化が容易である等の多くの利点を有している。空気電池に関する技術として、例えば特許文献1には、金属線メッシュである集電体を導電助剤で被覆した後、触媒層シートをプレス圧着した空気極を有する空気電池が開示されている。

作为正极活性物质利用氧的空气电池具有能量密度高、容易小型化及轻量化等多种优点。作为与空气电池相关的技术,例如在专利文献1中公开了一种空气电池,其具有将作为金属线网的集电体用导电助剂包覆后,对催化剂层片进行加压压接而得到的空气极。

 

また、特許文献2には、平面領域における導電性材料の平均担持量が、0.3mg/cm2〜9.0mg/cm2の範囲内である空気極を有する非水空気電池が開示されている。

另外,在专利文献2中,公开了一种具有平面区域中的导电性材料的平均担载量为0.3 mg / cm2 ~ 9.0 mg / cm2的范围内的空气极的非水空气电池。

 

特開平07−220726号公報国際公開第2010−100752号公報

日本特开平07 – 220726号公报国际公开第2010 – 100752号公报

 

特許文献1に開示されている空気電池は、触媒層が平面上に均一に存在しているため、触媒層の空隙が電解液で埋まってしまい、空気の拡散に時間がかかるため、高抵抗であり、高レートでの放電が困難であるという問題があった。

在专利文献1所公开的空气电池中,由于催化剂层均匀地存在于平面上,因此催化剂层的空隙被电解液填埋,空气的扩散耗费时间,因此为高电阻,存在高速率下的放电困难的问题。

 

そこで本開示は、高レートでの放電が可能な空気電池を提供することを課題とする。

因此,本发明的课题在于提供一种能够以高速率进行放电的空气电池。

 

上記課題を解決するために、本開示は以下の手段をとる。すなわち、本開示は、正極と、電解液を含むセパレータと、負極と、を有する空気電池であって、正極は、同一平面上に、担体と、担体に多層に担持された触媒を含む触媒層と、を複数有するとともに、各触媒層間に隙間を有し、各触媒層は、セパレータに接触しているとともに、セパレータ平面よりも突出していることを特徴とする空気電池である。

为了解决上述课题,本公开采取以下的手段。即,本公开是具有正极、含有电解液的隔膜和负极的空气电池,正极在同一平面上,具有多个载体和在载体上多层担载的含有催化剂的催化剂层的同时,还具有多个催化剂层,在各催化剂层间具有间隙,各催化剂层与隔板接触,并且与隔板接触,一种空气电池,其特征在于,比隔板平面更突出。

 

本開示によれば、高レートでの放電が可能な空気電池を提供することができる。

发明效果根据本发明,能够提供一种能够以高速率进行放电的空气电池。

 

本開示の一実施形態に係る空気電池の構造を模式的に示す図である。図1に示す空気電池の正極を構成する一つの正極ユニットと、セパレータとの境界部分の断面を模式的に示す図である。本開示の他の実施形態に係る空気電池の正極ユニットと、セパレータとの境界部分の断面を模式的に示す図であり、図2に対応する図である。図2に相当する断面のSEM画像である。図4と同一の断面における、担体(正極集電体)と触媒層との境界部分の拡大SEM画像である。触媒層の厚みと得られる電流密度との関係を示す図である。触媒層と担体(正極集電体)との合計厚みと得られる電流密度との関係を示す図である。

是示意性地表示本发明的一个实施方式的空气电池的结构的图。图2B是示意性地表示构成图1所示的空气电池的正极的一个正极单元与隔膜的边界部分的截面的图。是示意性地表示本公开的其他实施方式的空气电池的正极单元与隔板的边界部分的截面的图,图2B是与图2对应的图。是相当于图2的剖面的SEM图像。是与图4相同的截面中的、载体(正极集电体)与催化剂层的边界部分的放大SEM图像。是表示催化剂层的厚度与所得到的电流密度的关系的图。是表示催化剂层与载体(正极集电体)的合计厚度与所得到的电流密度的关系的图。

 

以下、本開示について説明する。なお、以下に示す形態は本開示の例示であり、本開示は以下に示す形態に限定されない。

以下,对本公开进行说明。另外,以下所示的方式是本公开的例示,本公开并不限定于以下所示的方式。

 

本開示の空気電池は、正極と、電解液を含むセパレータと、負極と、を有する空気電池であって、正極は、同一平面上に、担体と、担体に多層に担持された触媒を含む触媒層と、を複数有するとともに、各触媒層間に隙間を有し、各触媒層は、セパレータに接触しているとともに、セパレータ平面よりも突出していることを特徴とする。

本公开的空气电池是具有正极、含有电解液的隔膜和负极的空气电池,正极在同一平面上,具有多个载体和在载体上多层担载的含有催化剂的催化剂层的同时,还具有多个催化剂层,在各催化剂层间具有间隙,各催化剂层与隔板接触,并且与隔板接触,其特征在于,比隔板平面更突出。

 

図1に、本開示の一実施形態に係る空気電池の構造を模式的に示す。図1に示す空気電池は、正極と、電解液を含むセパレータと、負極と、を有する。正極は、正極集電体としても機能する担体と、担体に多層に担持された触媒を含む触媒層と、を複数有する。以下、一つの担体(正極集電体)に触媒層が形成されたものを「正極ユニット」と称する。図2に、図1に示す空気電池の正極を構成する一つの正極ユニットと、セパレータとの境界部分の断面を模式的に示す。以下、図1、2を参照しつつ、本開示に係る空気電池が有する各構成について説明する。

图1示意性地示出了根据本公开的实施方式的空气电池的结构。图1所示的空气电池具有正极、含有电解液的隔膜和负极。正极具有多个作为正极集电体发挥功能的载体、和在载体上多层担载的含有催化剂的催化剂层。以下,将在一个载体(正极集电体)上形成有催化剂层的单元称为“正极单元” 。图2所示,示意性地表示构成图1所示的空气电池的正极的一个正极单元与隔膜的边界部分的截面。以下,参照图1 、图2 ,对本发明的空气电池所具有的各结构进行说明。

 

<正極>正極は、酸素を活物質として、酸素の酸化還元反応を行う電極(空気極)である。図1に示すように、正極は、同一平面上に、担体と、担体に多層に担持された触媒を含む触媒層と、を複数有する。

正极是以氧作为活性物质,进行氧的氧化还原反应的电极(空气极)。如图1所示,正极在同一平面上,具有多个载体和含有载体上多层担载的催化剂的催化剂层。

 

(担体)担体は、触媒の支持体となり、触媒を担持する部材である。担体は、後述する複数の触媒層を各触媒層間に隙間を有して形成可能なものであれば特に限定されないが、正極集電体としても機能することが好ましい。担体が正極集電体である形態によれば、空気電池における正極の占める体積を小さくすることができるため、エネルギー密度を高めることができる。かかる観点から、担体は、図1、2に示すように、円形の断面を有して長手方向に延在するワイヤー状であることが好ましく、導電性を有する材料により形成されることが好ましい。担体に用いる導電性を有する材料としては、従来から集電体として用いられるものを特に限定されずに適用できる。例えば、導電性を有する金属を有する金属や、樹脂を導電性を有する金属で被覆したものを使用することができる。また、後述するセパレータが含む電解液に埋もれない構造であれば、多孔質であってもよい。

(载体)载体为催化剂的支撑体,是担载催化剂的部件。载体只要能够在各催化剂层间具有间隙地形成后述的多个催化剂层即可,没有特别限定,优选作为正极集电体发挥功能。根据载体为正极集电体的方式,能够减小空气电池中的正极所占的体积,因此能够提高能量密度。从该观点出发,载体如图1 、2所示,优选为具有圆形的截面并在长度方向上延伸的线状,优选由具有导电性的材料形成。作为载体中使用的具有导电性的材料,可以没有特别限定地应用以往作为集电体使用的材料。例如,可以使用具有导电性的金属或由具有导电性的金属覆盖树脂的金属。另外,只要是在后述的隔膜所含的电解液中不填埋的结构,则也可以是多孔质。

 

(触媒)本開示に用いる触媒は、酸素酸化能、酸素還元能、酸化還元能を有するものであれば特に限定されず、公知の触媒を使用することができる。正極に使用可能な触媒としては、例えば、Bi2Ru2O7−X(Xは酸素欠陥量を示し、具体的には0.01〜0.1)で表わされるルテニウム酸ビスマス等のパイロクロア系化合物、ペロブスカイト型化合物、白金等の貴金属等が挙げられる。

(催化剂)本发明中使用的催化剂只要具有氧氧化能力、氧还原能力、氧化还原能力就没有特别限定,可以使用公知的催化剂。作为可用于正极的催化剂,例如,Bi2Ru2O7 – X(X表示氧缺陷量,具体而言,可列举出0.01 ~ 0.1)所表示的钌酸铋等的裂解石系化合物、钙钛矿型化合物、铂等贵金属等。

 

触媒の形状は特に限定されないが、図1、2に表れているように球状の粒子であることが好ましい。触媒が球状の粒子である形態において、触媒の粒子径は、後述するように、毛管現象により触媒層がセパレータの含む電解液を吸い上げることが可能であれば特に限定されない。例えば、60nm程度とすることができる。

催化剂的形状没有特别限定,如图1 、2所示,优选为球状的粒子。在催化剂为球状的粒子的方式中,催化剂为球状的粒子,催化剂的粒径如后所述,只要催化剂层能够通过毛细管现象吸出包含隔板的电解液即可,没有特别限定。例如,可以设定为60nm左右。

 

(触媒層)図1に示すように、担体には、複数の触媒層が担体の長手方向に沿って、且つ、それぞれ担体の長手方向に直交する断面の円周方向に沿って設けられている。図2に示すように、触媒層は、担体に触媒が多層に担持されることにより形成されている。

(催化剂层)如图1所示,在载体上,沿着载体的长度方向且分别沿着与载体的长度方向正交的截面的圆周方向设置有多个催化剂层。如图2所示,催化剂层通过在载体上多层担载催化剂而形成。

 

図2に表れているように、触媒層は、多層であり、その一部が電解液を含むセパレータに沈み込みセパレータに接触しているとともに、セパレータ平面よりも突出している。かかる形態とすることにより、触媒層全体がセパレータの電解液に沈み込むことなく、触媒層が毛管作用により電解液を吸い上げることにより、触媒層に沿って、薄い電解液層ができるため、空気の拡散が良く、抵抗を下げることが可能となる。これにより、高レートでの放電が可能となる。なお、図2には、触媒層が2層である形態を示すが、触媒層は多層であれば良く、層数は特に限定されない。

如图2所示,催化剂层为多层,其一部分沉入含有电解液的隔板,并与隔板接触,比隔板平面更突出。通过采用该方式,催化剂层整体不会沉入隔膜的电解液,催化剂层通过毛细管作用吸上来电解液,由此能够沿着催化剂层形成薄的电解液层,因此空气的扩散良好,能够降低电阻。由此,能够进行高速率下的放电。需要说明的是,图2中示出催化剂层为2层的方式,但催化剂层只要为多层即可,层数没有特别限定。

 

触媒層の厚みは特に限定されないが、触媒粒子間の毛管作用を促進する観点から、セパレータの凸凹に埋もれない厚みがあることが好ましく、セパレータの凸凹の倍の厚みがあると好ましい。例えば、2μm以上45μm以下とすることができる。また、触媒層には触媒粒子を複数積層することが好ましく、2層以上、より好ましくは4層以上積層されていることが好ましい。

催化剂层的厚度没有特别限定,从促进催化剂粒子间的毛细管作用的观点出发,优选为不填埋于隔板的凹凸的厚度,优选为隔板的凹凸的倍的厚度。例如,可以设定为2 μ m以上45 μ m以下。另外,催化剂层中优选层叠多个催化剂粒子,优选层叠2层以上,更优选层叠4层以上。

 

触媒層は、触媒同士を結着させるバインダーを含んでいてもよい。バインダーとしては、電解液に溶解しないものであれば特に限定されず、PTFE等の公知のバインダーを使用することができる。

催化剂层也可以含有使催化剂彼此粘合的粘合剂。作为粘合剂,只要是不溶解于电解液的粘合剂就没有特别限定,可以使用PTFE等公知的粘合剂。

 

担体に触媒を担持し、触媒層を形成する方法は、特に限定されず、触媒、水、及び、所望によりバインダーを混合して得られるスラリーを、担体に塗布し、乾燥させることにより、触媒間に空隙が発生し、担体に触媒を多層に担持させてなる触媒層を形成することができる。スラリーの塗布及び乾燥は1回で完了してもよく、複数回行ってもよい。また、触媒量によって、多層状態を変更することが可能である。

在载体上载置催化剂,形成催化剂层的方法没有特别限定,将催化剂、水和根据需要混合粘合剂而得到的浆料涂布在载体上,通过干燥,在催化剂间产生空隙,可以形成在载体上多层担载催化剂而成的催化剂层。浆料的涂布及干燥可以1次完成,也可以进行多次。另外,可以根据催化剂量来变更多层状态。

 

(正極ユニット)正極ユニットは、一つの担体(正極集電体)と、該一つの担体に形成された触媒層とからなる。正極ユニットのサイズは特に限定されないが、セパレータが含む電解液に正極ユニットが埋もれにくくする観点から、厚み(担体と触媒層との合計厚み。図1、2に例示する形態においては、図2に表れている正極ユニットの円形断面の直径。)が5μm以上92μm以下であることが好ましい。セパレータに配置される隣接する正極ユニット間の間隔は、特に限定されないが、空気(酸素)を通過させ易くする観点から、1μm以上であることが好ましい。

(正极单元)正极单元由一个载体(正极集电体)和形成在该一个载体上的催化剂层构成。正极单元的尺寸没有特别限定,从正极单元难以填埋在隔膜所含的电解液中的观点出发,厚度(载体与催化剂层的合计厚度。在图1 、图2所例示的方式中,图2所示的正极单元的圆形截面的直径。)优选为5 μ m以上且92 μ m以下。配置于隔板的相邻的正极单元间的间隔没有特别限定,从容易使空气(氧)通过的观点出发,优选为1 μ m以上。

 

図1には、正極が3つの正極ユニットを有する形態を例示したが、本開示はこれに限定されない。正極が有する正極ユニットは一つでもよく、2以上の任意の数のユニットを有していてもよい。

在图1中,例示了正极具有3个正极单元的方式,但本公开并不限定于此。正极所具有的正极单元可以为一个,也可以具有两个以上的任意数量的单元。

 

<セパレータ>セパレータは、電解液を保液可能なものであれば特に限定されず、空気電池に使用される多孔膜や不織布等の公知のセパレータを使用することができる。また、セパレータに含まれる電解液は、水系電解液であれば特に限定されず、空気電池に使用される公知の電解液を使用することができる。具体的には、アルカリ金属やアルカリ土類金属等の電解質塩を水に溶解させた電解液が例示される。

隔板只要是能够保液电解液的隔板即可,没有特别限定,可以使用空气电池所使用的多孔膜或无纺布等公知的隔板。另外,隔板所含的电解液只要是水系电解液就没有特别限定,可以使用空气电池中使用的公知的电解液。具体而言,可例示将碱金属或碱土金属等电解质盐溶解于水中而成的电解液。

 

<負極>負極は、負極活物質として、水系電解質液内で反応する公知の金属を含有しているものを適宜用いることができる。具体的には、typeS等の水素吸蔵合金、Al、Zn、Mgなどの金属、アルカリ電解液内で反応する公知の活物質金属等が例示される。また、負極は、負極活物質以外に、公知のバインダー、導電助剤等を含有していてもよい。また、本開示の空気電池は、負極の内部又は外面に当接して、負極の集電を行う負極集電体を備えていてもよい(図1、2には不図示。)。

负极作为负极活性物质,可以适当使用在水系电解质液中含有反应的公知的金属的负极活性物质。具体而言,可例示出typeS等的储氢合金、Al 、Zn 、Mg等金属、在碱性电解液内反应的公知的活性物质金属等。另外,负极除了负极活性物质以外,还包括负极活性物质,也可以含有公知的粘合剂、导电助剂等。另外,本公开的空气电池也可以具备与负极的内部或外表面抵接而进行负极的集电的负极集电体(在图1 、2中未图示。)。

 

本開示の空気電池は、図1に示した構造を複数層積層した構造であってもよい。

本公开的空气电池也可以是层叠了多层图1所示的结构的结构。

 

図1、2には、担体が正極集電体である形態を例示したが、本開示の空気電池はこれに限定されず、担体と正極集電体を別々に設ける形態としてもよい。図3は、本開示の他の実施形態に係る空気電池の正極ユニットと、セパレータとの境界部分の断面を模式的に示す図であり、図2に対応する図である。図3に示す形態では、正極集電体の表面に、担体と該担体中に分散して担持された触媒とからなる粒子(以下、「触媒担持粒子」という。)が多層に積層されることにより触媒層が形成されている。かかる形態において、担体は導電性を有することが好ましい。触媒担持粒子の粒子径は、毛管現象により触媒層がセパレータに含まれる電解液を吸い上げることが可能であれば特に限定されず、図1、2に例示した形態における触媒の粒子径と同様とすることができる。また、触媒担持粒子が多層に担持されることにより形成される触媒層の厚みは、図1、2に例示した形態における触媒層の厚みと同様とすることができる。触媒担持粒子における触媒の分散度、及び、正極集電体表面における触媒担持粒子の被覆率は、高レートでの放電が可能であれば特に限定されない。

在图1 、2中,例示了载体为正极集电体的方式,但本发明的空气电池并不限定于此,也可以为分别设置载体和正极集电体的方式。图3是示意性地表示本公开的其他实施方式的空气电池的正极单元与隔板的边界部分的截面的图,图2B是与图2对应的图。在图3所示的方式中,在正极集电体的表面上形成,由载体和分散担载于该载体中的催化剂构成的粒子(以下,称为“催化剂担载粒子” 。)层叠为多层而形成催化剂层。在该方式中,载体优选具有导电性。催化剂负载粒子的粒径只要能够通过毛细管现象吸出催化剂层包含在隔板中的电解液即可,没有特别限定,可以与图1 、图2例示的方式中的催化剂的粒径相同。另外,通过将催化剂负载粒子担载于多层而形成的催化剂层的厚度可以设为与图1 、图2例示的方式中的催化剂层的厚度相同。催化剂负载粒子中的催化剂的分散度、以及正极集电体表面的催化剂担载粒子的被覆率只要能够以高速率进行放电,就没有特别限定。

 

以下、実施例を参照しつつ、本開示の空気電池について説明を続ける。

以下,参照实施例,对本发明的空气电池继续进行说明。

 

<実施例>以下の材料を用いて、図1に示した本開示の一実施形態に係る空気電池を模した5種類の評価用セルを作製した。[正極]・触媒触媒:Bi2Ru2O7−X(x=0.01〜0.1)直径:40〜100nm積層量:3〜22μm・バインダーPTFE:ダイキン工業製、D−210Cバインダー量/触媒:0.042・担体(正極集電体)Niワイヤー:Φ50μm、ニラコ製、NI−311107・触媒の担持方法触媒/バインダー/水を、0.03344/0.00139/1.965ccの体積比率で混合し、スラリーを作製した。該スラリーに担体(正極集電体)であるNiワイヤーを浸漬させ、60℃で2h乾燥させることにより、担体(正極集電体)に触媒を担持させ、5種類の正極ユニットを作製した。[負極]活物質:LaNAlベース(A2B7型の水素吸蔵合金)typeS、日本重化学工業製バインダー:CMC(カルボキシメチルセルロース)、PVA(ポリビニルアルコール)導電助剤:カルボニルニッケル活物質/導電助剤/CMC/PVA=49/49/1/1vol%負極集電体:発泡Ni  住友電工製♯7[セパレータ]セパレータ:HF5215、三菱製紙製[電解液]1mol/LのKOH

<实施例>使用以下的材料,制作了模拟图1所示的本发明的一个实施方式的空气电池的5种评价用电池。[正极]·催化剂催化剂的Bi2Ru2O7 – X(x = 0.01 ~ 0.1)直径、40 ~ 100nm层叠量、3 ~ 22 μ m ·粘合剂PTFE · Dyne工业制造、D – 210C粘合剂量/催化剂的0.042 ·载体(正极集电体)Ni线、φ 50 μ m 、NIKco公司制、NI – 311107 ·催化剂的担载方法催化剂/粘合剂/水,以0.03344 / 0.00139 / 1.965 cc的体积比率混合,制作浆料。在该浆料中浸渍作为载体(正极集电体)的Ni丝,在60 ℃下干燥2h ,由此在载体(正极集电体)上担载催化剂,制作5种正极单元。[负极]活性物质:LaNAl基底(A2B7型的贮氢合金)typeS 、日本重化学工业制粘合剂、CMC(羧甲基纤维素)、PVA(聚乙烯醇)导电助剂、羰基镍活性物质/导电助剂/ CMC / PVA = 49491 / 1vol%负极集电体、隔膜、HF5215 、三菱制纸制造的[电解液] 1mol / L的KOH

 

[評価用セルの作製]負極集電体上に上記負極材料(活物質/導電助剤/CMC/PVA)のペーストを、アプリケーターを用いて塗工し、乾燥させることで、負極集電体上に負極を形成した。負極上に上記電解液で湿らせたセパレータを配置し、該セパレータの上に、3つの正極ユニット(正極)を担体の長手方向が平行になるように配置し、実施例に係る5種類の評価用セルを作製した。

[评价用电池的制作]使用涂布机将上述负极材料(活性物质/导电助剂/ CMC / PVA)的糊料涂布在负极集电体上,通过干燥,在负极集电体上形成负极。在负极上配置用上述电解液润湿的隔膜,在该隔板上,3将各正极单元(正极)以载体的长度方向平行的方式配置,制作了实施例的5种评价用电池。

 

<比較例>触媒を担持した炭素とPTFE(バインダー)とを混錬しシート状にした電極と、金属メッシュとからなる、従来技術に係る正極を有する空気電池を、比較例に係る評価用セルとして用いた。

<比较例>将担载催化剂的碳与PTFE(粘合剂)混炼而制成片状的电极和金属网构成的、具有现有技术的正极的空气电池用作比较例的评价用电池。

 

[顕微鏡観察]作製した実施例に係る評価用セルの断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図2に相当する断面のSEM画像を図4に示す。また、図4と同一の断面における、担体(正極集電体)と触媒層との境界部分の拡大SEM画像を図5に示す。図4に示すように、触媒層は、セパレータに接触しているとともに、セパレータ平面よりも突出していた。また、図5に示すように、担体には、触媒が多層に積層された触媒層が担持されていた。

[显微镜观察]用扫描型电子显微镜(SEM)观察制作的实施例的评价用电池的截面。相当于图2的剖面的SEM图像如图4所示。另外,将与图4相同的截面中的、载体(正极集电体)与催化剂层的边界部分的放大SEM图像示于图5 。如图4所示,催化剂层与隔板接触,并且与隔板接触,比隔板平面更突出。另外,如图5所示,在载体上担载有多层层叠有催化剂的催化剂层。

 

[電流密度の測定]実施例及び比較例に係る評価用セルについて、サイクリックボルタムメトリーで測定した電流を用いて電流密度を測定した。触媒層の厚み、及び、触媒層及び担体の合計厚みに対して電流密度の測定結果をプロットしたものを図6、7に示す。図6、7に示すように、実施例の評価用セルは、比較例の評価用セルよりも触媒層の厚み、及び、触媒層と触媒層と担体との合計厚みが小さく、且つ、電流密度が高かった。よって、本開示によれば、エネルギー密度を高めること、及び、高レートでの放電が可能であることが確認された。

[电流密度的测定]对于实施例和比较例的评价用电池,使用通过循环伏安法测定的电流测定电流密度。将相对于催化剂层的厚度、以及催化剂层及载体的合计厚度绘制电流密度的测定结果的结果示于图6 、图7 。如图6 、7所示,实施例的评价用电池与比较例的评价用电池相比,催化剂层的厚度、以及催化剂层、催化剂层和载体的合计厚度小,且电流密度高。因此,根据本公开,确认了能够提高能量密度以及能够以高速率进行放电。

 

特許請求の範囲:

权利要求:

 

正極と、電解液を含むセパレータと、負極と、を有する空気電池であって、前記正極は、同一平面上に、担体と、前記担体に多層に担持された触媒を含む触媒層と、を複数有するとともに、各触媒層間に隙間を有し、前記各触媒層は、前記セパレータに接触しているとともに、セパレータ平面よりも突出していることを特徴とする空気電池。

本发明提供一种空气电池,其具有正极、含有电解液的隔膜和负极,所述正极在同一平面上,具有多个载体和催化剂层,该催化剂层含有多层担载于上述载体上的催化剂,在各催化剂层间具有间隙,所述各催化剂层与所述隔板接触,并且与所述隔板接触,一种空气电池,其特征在于,比隔板平面突出。

其他附图:

日本微生物燃料电池技术 氢转化率将提高10倍

“微生物燃料电池(MFC)”是一项利用微生物发电制造氢的技术。东京医科大学研究小组日前正在进行一项研发,该技术可将氢转化率提高10倍。微生物燃料电池将首先运用在污水处理设备上,预计2030年将实现利用触手可及的身边环境即可轻松获取氢资源。通过微生物反应转化来的氢,用于汽车燃料的未来迟早会到来。

附着在电极上的发电微生物(东京药科大学渡边一哉教授提供)

微生物燃料电池利用一种“电流转化菌”,它在水中等没有氧的环境下分解有机物时可产生电子。将负极金属板放进污水或污泥时,里面的生物就会分解有机物产生电子和氢离子,从金属板上回收电子时就会向正极方向传送发电。氢离子与从正极方向流出的电子、氧气发生反应生成水。制造氢气的机制几乎是相同的。微生物燃料电池的一面电极首先会产生氢离子和电子。施加电能后,在另一面电极氢离子和电子结合形成氢气。

灵活利用身边的环境即可制造出氢,可大幅降低成本。例如,田间土壤里的微生物可以分解有机物。生活垃圾等废弃物也可转化出氢。这方面,最接近实用化的莫过于污水处理厂。虽然效率尚不及现有的燃料电池,但兼具了污水净化和发电两项特点。目前,日本污水处理厂的年耗电量占电力使用量的0.7%。东京药科大学的渡边一哉教授:“用微生物燃料电池供电的话,可将耗电量控制在现状的20%左右”。

在微生物燃料电池研究领域,以往美国长期引领世界。但从2010年起中国在这一领域的研究逐渐突出。渡边教授表示“相关论文30%以上出自中国。”据悉目前微生物燃料电池的发电量仅为氢燃料电池的百分之一。微生物燃料电池的电极越大,微生物越多,发电量越大。但因电极成本高,所以落地有难度。未来要实现微生物燃料电池的普及,该领域的共同课题是提高发电效率、削减成本。

如您需要了解相关专利技术信息,欢迎登录AIpatent的国家频道(http://c.aipatent.com/)查询。或直接联系我们:support@aipatent.com。

 

注:图片来自YAHOO JP

参考日本报道原文:http://kks.me/bpd5T