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鋰離子電容器的開發(fā):高電壓、大容量、安全性高

作者: 時間:2011-08-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  FDK開發(fā)出了輸出功率高、充放電循環(huán)特性出色的?,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)用也有進展。本文將由FDK介紹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充電電池(LIB)為中心推進開發(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(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(表1)。

  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,并可進一步發(fā)展為單元整體的熱分解,從而導(dǎo)致嚴重發(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(圖1)。

  

圖1:正極與電解液不發(fā)生反應(yīng)的LIC

  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,因可在正極電位遠離氧化分解區(qū)域的位置使用,高溫耐久性非常出色(圖2)。

  

圖2:不容易發(fā)生氧化分解的LIC的正極電位

  LIC可降低正極電位,因此能防止電解液的氧化分解。



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