松下正致力于正極材料采用有機(jī)化合物的有機(jī)充電電池的開發(fā)，“有機(jī)充電電池不含重金屬，受資源限制少，而且能制造出重量非常輕而且柔軟的電池。我們打算利用這些特性開發(fā)新的用途”。該公司目前正在開發(fā)可實(shí)現(xiàn)高容量化的醌型以及可提高輸出功率的四硫富瓦烯（TTF）型有機(jī)電池（圖1）。
圖1：開發(fā)兩種有機(jī)充電電池
松下正在開發(fā)能量密度高的醌型和輸出密度高的TTF型有機(jī)充電電池。（圖：松下）
這些有機(jī)電池的最大特點(diǎn)是，無論采用哪種材料類型，通過使構(gòu)造材料聚合，都能防止溶解，并大幅提高充放電循環(huán)特性（表1）。此前，有機(jī)充電電池因有機(jī)化合物會(huì)隨著充放電而溶解在電解液中，因此長壽命化一直都是一大課題。此次，醌型采用使鄰醌化合物芘-4， 5， 9，10-四酮（PYT）高分子化的高分子PYT（PPYT），TTF型采用合成TTF聚合物后共聚化的共聚TTF聚合物，解決了該問題。
關(guān)于高容量化和高輸出化，兩種方式分別利用了不同的充放電反應(yīng)。醌型與鋰離子充電電池一樣，為鋰離子從電極脫開與嵌入的“鋰穿梭（Shuttle）”型，容易實(shí)現(xiàn)高容量。而TTF型為電解液中的陽離子和陰離子均向電極移動(dòng)的“電容器”型，容易實(shí)現(xiàn)高輸出和長壽命。
循環(huán)充放電500次后保持83％的容量
醌型是松下與京都大學(xué)工學(xué)研究科有機(jī)合成專業(yè)教授吉田潤一于2004年前后共同開發(fā)的成果。“從零開始設(shè)計(jì)材料，確立分子結(jié)構(gòu)的概念花了大約2年的時(shí)間”（松下）。為實(shí)現(xiàn)高容量化，雙方著眼于能盡量在小構(gòu)造中存儲(chǔ)電子，而且是由不易受資源限制的碳（C）和氧（O）構(gòu)成的酮。
不過，酮在存儲(chǔ)一個(gè)電子的狀態(tài)下不穩(wěn)定，所以雙方著眼于連接2個(gè)酮形成環(huán)狀構(gòu)造的環(huán)狀1，2-二酮（醌）。另外，為提高電壓，研究了構(gòu)造的環(huán)的尺寸，最終選擇了可實(shí)現(xiàn)最高電壓的6元環(huán)PYT作為構(gòu)造材料。
PYT可實(shí)現(xiàn)四電子反應(yīng)，在鋰電位為2.8V和2.2V兩個(gè)階段進(jìn)行充放電反應(yīng)（圖2）。使PYT實(shí)現(xiàn)高分子化的PPYT的初次放電容量為231mAh/g。比容量是鋰離子充電電池正極采用的主流金屬氧化物的約1.4倍。充放電循環(huán)特性通過聚合顯示出了優(yōu)異的結(jié)果，循環(huán)充放電500次后仍保持了83％的容量。另外還可進(jìn)行快速充放電，以30C充放電可保持90％的容量 注1）。
圖2：可實(shí)現(xiàn)四電子反應(yīng)的醌型
醌型采用了可實(shí)現(xiàn)四電子反應(yīng)的PYT（a）。高分子化的PPYT的平均電壓為2.5V（b）。（圖：松下）
注1） 1C表示在1個(gè)小時(shí)內(nèi)為電池充電或放電。因此，30C表示在2分鐘內(nèi)、100C表示在36秒內(nèi)進(jìn)行充放電。
反復(fù)充放電3萬次后仍保持58％的容量
TTF型作為氧化還原反應(yīng)的場所，通過TTF周圍呈環(huán)狀云一樣分布的“π共軛電子云”交換電子（圖3）。這種反應(yīng)容易實(shí)現(xiàn)高輸出化，而且不會(huì)出現(xiàn)氧化還原反應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)變化，因此可延長壽命。實(shí)際上，通過使TTF聚合并共聚化，大幅提高了充放電循環(huán)特性和高速充放電（率）特性。
圖3：利用π共軛電子云的TTF
TTF型的氧化還元利用了π共軛電子云（a）。共聚TTF聚合物的平均電壓為3.45V（b）。（圖：松下）
比如，TTF聚合物電池的共聚比*為m/n＝1的共聚TTF聚合物在循環(huán)3萬次后維持了58％（1萬次循環(huán)后為72％）的容量。而以單體利用時(shí)反復(fù)充放電1萬次容量就降到了52％。TTF聚合物電池的高速充放電率特性在100C時(shí)的容量維持率為72％，也高于單體的56％。
*共聚比＝利用兩種以上的單體重合時(shí)各自的比例。
TTF聚合物電池的放電容量為114mAh/g，雖然比單體的130mAh/g降低，但與雙電層電容器采用的活性炭相比可實(shí)現(xiàn)2倍的比容量。而且，由于采用了鋰離子，平均電壓高達(dá)3.45V，能比雙電層電容器大幅提高能量密度。
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