詳解鋰離子電容器開發(fā)

（一）高電壓、大容量、安全性高

FDK開發(fā)出了輸出功率高、充放電循環(huán)特性出色的鋰離子電容器?，F(xiàn)已開始用于高電壓暫降補償裝置和太陽能發(fā)電的負(fù)荷平均化等領(lǐng)域，此外，其在混合動力車等需要高輸出功率的汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也有進(jìn)展。本文將由FDK介紹鋰離子電容器的特性以及面向混合動力車等采取的舉措。

近年來，為應(yīng)對化石燃料枯竭和防止地球變暖，人們采取了各種對策。針對化石燃料問題，積極導(dǎo)入了太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等自然能源。在防止地球變暖方面，開始針對CO2排量高的汽車實施電動化及馬達(dá)輔助駕駛等減排對策。

但這些對策導(dǎo)致電力系統(tǒng)不穩(wěn)定和用電量增加等新課題浮出了水面。要解決這些課題，蓄電元器件必不可少。

此前的蓄電元器件一直以鋰離子充電電池（LIB）為中心推進(jìn)開發(fā)，但因用途的不同，LIB的輸出特性和充放電循環(huán)壽命（以下簡稱壽命）存在極限。我們面向LIB難以支持的用途，開發(fā)出了高輸出長壽命的鋰離子電容器（LIC）“EneCapTen”。本文將介紹LIC面向今后有望增長的市場——混合動力車市場的應(yīng)用方案。

高電壓大容量LIC

LIC是正極采用活性炭、負(fù)極采用碳材料、電解液采用鋰離子有機物（鹽：LiPF6，溶劑：PCEC）的電容器。正極通過雙電層的效果蓄電。負(fù)極與LIB一樣，由鋰離子的氧化還原反應(yīng)而蓄電。

通過添加鋰離子，LIC不但電壓升高至約4V，還提高了負(fù)極存儲的靜電容量，單元整體的靜電容量可增至原雙電層電容器（EDLC）的2倍左右。因此，LIC與EDLC相比具有高電壓大容量的優(yōu)點

例如，單位體積的能量密度為10～50Wh/L，較EDLC的2～8Wh/L的容量要大得多。

雖然比LIB能量密度較低，但LIC的輸出密度高、壽命長。此外，還具有高溫特性出色以及自放電比EDLC小的兩大特點。

正極不同，安全性較高

目前，蓄電用途主要的要求有三點：①安全性、②長壽命、③低價位。其中①的安全性是最重要的要素。蓄電元器件是用來儲存能源的，如果不能穩(wěn)定儲存，則隨著能量密度的升高，元器件會變得非常危險。

目前為提高安全性，對LIB采取為隔膜涂布絕緣物等種種措施，但從本質(zhì)上來說，蓄電原理本身安全是最理想的。

LIB與LIC的不同點在于正極。LIB的正極采用鋰氧化物，而LIC采用活性炭。鋰氧化物不但含有大量的鋰，還含有可起火的重要因素——氧。

因此，如果單元內(nèi)部因某種原因發(fā)生短路，短路導(dǎo)致的發(fā)熱會使鋰氧化物分解，并可進(jìn)一步發(fā)展為單元整體的熱分解，從而導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)熱。

而LIC的正極采用活性炭，雖然發(fā)生內(nèi)部短路時會與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，但那之后正極與電解液不會發(fā)生反應(yīng)，從原理上可以說是安全的。

LIC即使發(fā)生內(nèi)部短路，正極與電解液也不會發(fā)生反應(yīng)。而LIB的正極會與電解液發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致構(gòu)成材料發(fā)生熱分解，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象。

高溫耐久性出色

關(guān)于②長壽命，蓄電元器件由于價格比較高，使用時間越長，越能降低產(chǎn)品生命周期成本。而且，如果壽命長，還能降低更換頻率，減少廢棄物等，對環(huán)境的負(fù)荷較小。

LIB為減輕劣化以實現(xiàn)長壽命，縮窄了充放電范圍（充放電深度），但這樣實質(zhì)上可利用的容量就減少了。而原本是希望擴大充放電深度也能實現(xiàn)長壽命的。

EDLC的充放電原理，是單純以吸附或脫卻電解液中的離子而具有長壽命的，但僅憑這一點很難在實際使用條件下延長壽命。

蓄電元器件存在的弱點是溫度會上升。反復(fù)充放電時，內(nèi)部電阻會導(dǎo)致溫度上升，這會大大影響其壽命。因此，高溫耐久性是其必要條件。

高溫導(dǎo)致的劣化主要是由正極電解液的氧化分解造成的。正極的電位越高，或者環(huán)境溫度越高，越容易發(fā)生氧化分解。因此，在環(huán)境溫度較高的場所使用時，需要降低正極的電位。但EDLC如果降低正極電位，單元的電壓也會隨之下降，因而無法確保容量。

而LIC即使降低正極電位，單元自身的電壓也不會大幅下降，因此可確保容量。而且，因可在正極電位遠(yuǎn)離氧化分解區(qū)域的位置使用，高溫耐久性非常出色。

（二）制成模塊和鉛蓄電池組合使用

通過制成模塊來削減成本

③的低價位對擴大市場很重要。不過，不僅要求降低蓄電元器件的價格，還應(yīng)該綜合考慮蓄電系統(tǒng)的設(shè)置環(huán)境和壽命等因素，以降低系統(tǒng)整體的成本。

大型蓄電元器件并不是只要便宜就好的產(chǎn)品，其長期可靠性非常重要，一旦發(fā)生問題就會失去市場的信賴，最終會造成巨大損失。

在實際使用條件下，不是單元單體使用，而是需要制成模塊，以確保既定的電壓或輸出功率，因此必須實現(xiàn)模塊的低成本化。

LIC可由以下3點來削減模塊成本：①單元單體的電壓較高，可減少單元數(shù)量；②高溫耐久性出色，設(shè)置條件比較寬松；③可削減管理成本。

關(guān)于①，制成既定電壓的模塊時，單元電壓越高，使用的單元數(shù)量越少。例如，電壓為300V時，需要120個EDLC的2.5V單元，而使用LIC的3.8V單元只需80個即可。

由于②的特性，可在比較廣泛的溫度條件下使用。像LIB那樣，需要進(jìn)行非常嚴(yán)密的溫度管理時，則設(shè)置場所會受限。但如果高溫耐久性出色，可放寬對溫度環(huán)境的限制，因此設(shè)置場所的自由度較高，能為削減成本做出貢獻(xiàn)。

③的管理成本，是指蓄電元器件的管理系統(tǒng)“Battery Management System（BMS）”相關(guān)的成本。LIB等充電電池的充放電曲線會隨著電流值和溫度環(huán)境發(fā)生巨大變化，因此為管理充電狀態(tài)，BMS會花費成本。

LIC如圖3所示，充放電曲線的斜率不會隨著電流值發(fā)生大幅變化。這種趨勢也不會隨溫度而變化，只需管理電壓就能掌握充電狀態(tài)，因此可降低BMS的成本。

LIC即使輸入輸出時的電流值發(fā)生大幅變化，其斜率也不會改變，因此可輕松管理單元的充電狀態(tài)。

電力再生市場占LIC的一大半市場

以上介紹了LIC的一般特征，下面將介紹我們開發(fā)的LIC——EneCapTen的特征（圖4）。EneCapTen的單元采用重視散熱性的層壓構(gòu)造，可進(jìn)行大電力的充放電。壽命極長，達(dá)到10萬次以上。另外，考慮到環(huán)境負(fù)荷，沒有使用鉛等重金屬。

單元采用層壓構(gòu)造（a）。45V模塊由12個單元構(gòu)成（b）。

模塊將根據(jù)用戶的性能參數(shù)設(shè)計。此外，表2所示的通用模塊現(xiàn)已上市，用于混合動力車的4000F單元現(xiàn)正在開發(fā)中。

目前，LIC的主要用途有以下四方面：①瞬低補償裝置和UPS（不間斷電源）等備用（Backup）市場；②混合動力車、起重機及建筑機械等電力再生市場；③太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等負(fù)荷平均化市場；④混合動力車和復(fù)印機等電力輔助市場。

其中，市場規(guī)模最大的是電力再生市場，估計將占一半以上。不過，預(yù)計今后隨著智能電網(wǎng)領(lǐng)域的擴大，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等負(fù)荷平均化用途也將形成一個巨大的市場。