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鋰離子電容器在設計上采用了雙電層電容器的原理，同時(shí)又在負極添加了鋰離子，從而提高了電容器的能量密度。日本旭化成電子公司和FDK公司都曾研制過(guò)在電解液中采用鋰氧化物的電容器，但都沒(méi)有實(shí)現產(chǎn)品化。轉機發(fā)生在2005年，富士重工業(yè)公司公開(kāi)了鋰離子電容器的制造技術(shù)：電容器負極采用多并苯類(lèi)材料，并在其中摻雜大量的鋰離子，電容器的正極材料則仍沿用以往的活性炭。 此后，多家廠(chǎng)商利用這樣的技術(shù)，制造出既具有雙電層電容器的高輸出、長(cháng)壽命特性，同時(shí)又能提供較高能量密度的電容器。2008年末，旭化成電子、ACT(高級電容器技術(shù))、NEC、JM Energy、太陽(yáng)誘電等多家公司都在開(kāi)發(fā)鋰離子電容器產(chǎn)品，其中ACT和JM Energy兩家公司的產(chǎn)品已進(jìn)入量產(chǎn)。 鋰離子電容器的能量密度得到提高的主要原因在于電容器單元的電壓和負極靜電容量的增加。傳統電容器的電壓通常為2.5～3V，而在添加了鋰離子之后就可提高到4V。與正極采用相同材料的普通電容器相比，鋰離子電容器的單元能量可提高3.5倍。另有看法認為，為實(shí)現更大容量，今后鋰離子電容器正極材料的靜電容量還需要提高。 總之，人們找到了可以取代雙電層電容器的大容量鋰離子電容器，并對其性能和應用前景很有信心。某市場(chǎng)調研公司表示，目前雙電層電容器的市場(chǎng)規模約為400億日元(100日元約合7.6元人民幣)；而鋰離子電容器于2008年開(kāi)始進(jìn)入量產(chǎn)，預計2010～2011年可正式建立起市場(chǎng)，2020年其市場(chǎng)規模將可達到80億日元，屆時(shí)年出貨量將達4000萬(wàn)個(gè)單元。 應用及性能 (一)風(fēng)力發(fā)電 日本ZEPHYR公司在福島縣沿海的海洋天然氣田設備(鉆井平臺)所使用的21臺小型風(fēng)力發(fā)電設備中均配置了鋰離子電容器模塊。2007年，該鉆井平臺因天然氣枯竭而停止營(yíng)業(yè)，并決定轉向用于進(jìn)行一項政府實(shí)驗，為了維持設備運轉，引入了小型風(fēng)力發(fā)電設備和用于蓄電/供電的鋰離子電容器模塊。經(jīng)過(guò)近1年的試運行，于2008年6月正式投入運行。運行狀況顯示：鋰離子電容器在風(fēng)力發(fā)電中的應用效果良好，今后將會(huì )推廣普及，前景可待。 電容器模塊被設置于風(fēng)車(chē)和逆變器之間，當風(fēng)力逐漸變大時(shí)，它能吸收發(fā)電量，起到緩沖存儲器的作用；當發(fā)電突然停止時(shí)，則可以利用電容器中儲存的電力，平穩地向逆變器供電。即，微風(fēng)時(shí)設備的發(fā)電量較小，可利用電容器供電；相反，強風(fēng)時(shí)設備的發(fā)電量會(huì )超過(guò)逆變器的規定容量(1KW)，這時(shí)可利用電容器蓄電，不致造成浪費。 鋰離子電容器模塊內采用了10個(gè)JM Energy公司制造的層疊型單元，起初ZEPHYR公司還曾擔心各單元的電壓之間會(huì )產(chǎn)生波動(dòng)，但從1年的試運行情況來(lái)看，電壓較為穩定。 (二)路燈電池 L-Kougen公司開(kāi)發(fā)出結合了LED照明燈、太陽(yáng)電池板和鋰離子電容器的路燈。公司試制品在日本宮崎縣進(jìn)行了實(shí)驗，結果表明，不但長(cháng)期無(wú)需維護，而且由于重量較輕，因此能夠方便地安裝在現有的照明燈具上。 試制品可用約0.6W的平均功率驅動(dòng)兩個(gè)1W的LED燈。在周?chē)鷽](méi)有其它照明設備的黑暗場(chǎng)所，1個(gè)充滿(mǎn)電的單元即可維持一整夜的照明。如果采用鎳氫電池，那么，為了適應發(fā)電量的改變，就需要設計很復雜的控制模塊；而能量密度較高的鋰離子電容器則可以輕松應對發(fā)電量的變化。試制品中采用的是由ACT公司開(kāi)發(fā)的 Premlis單元，靜電容量達到5000F。 (三)在發(fā)電和工業(yè)設備中取代雙電層電容器 各鋰離子電容器廠(chǎng)商都計劃在不間斷電源系統 (UPS)、建設工程電梯等應用中將鋰離子電容器用作峰值電流輔助設備和再生電源的蓄電器。如果使用電容器輔助峰值電流，就可以通過(guò)主電源的小容量化實(shí)現整體系統的小型化，從而使鋰離子電容器可在工程機械和工業(yè)機器人中用作輔助電源。另外還在考慮將鋰離子電容器用作汽車(chē)及電子控制設備的備用電源�？梢哉f(shuō)， 鋰離子電容器的性能已經(jīng)全面超越了雙電層電容器，能量密度高是它最突出的特點(diǎn)。目前的試制產(chǎn)品的能量密度約為10Wh/L～30Wh/L，ACT公司的單元甚至可超過(guò)40Wh/L，比一般能量密度不到10Wh/L的雙電層電容器高出3～5倍。得益于較高的能量密度，不僅可以實(shí)現大容量的電容器模塊，也可以在同樣能量密度下實(shí)現小型化產(chǎn)品。 無(wú)論是在表示電流輸出功率的輸出密度方面，還是在使用壽命和維護方面，鋰離子電容器與雙電層電容器相比都毫不遜色。多家鋰離子電容器廠(chǎng)商的試驗表明，經(jīng)過(guò)幾萬(wàn)次的充/放電，鋰離子電容器的容量仍可保持最初容量的90%以上，自放電也很小。鋰離子電容器的溫度特性，特別是高溫特性也優(yōu)于雙電層電容器，它在60℃下的特性不會(huì )劣化，容量充足時(shí)甚至可在70℃～80℃的高溫下工作。 更值得一提的是鋰離子電容器的安全性。鋰離子電容器與鋰離子充電電池在結構和應用上有相似的地方，因此人們擔心它會(huì )不會(huì )出現“著(zhù)火和破裂”的危險。實(shí)際上，與采用 LiCoO2等的鋰離子充電電池不同，鋰離子電容器的正極上不存在氧化物，因此，從原理上講就不會(huì )產(chǎn)生熱散逸的現象。當發(fā)生短路時(shí)，單元的溫度大概可能上升到100℃左右，但還不至于出現電解液著(zhù)火及單元破裂的情況。例如，在FDK公司進(jìn)行的模塊認證試驗中，當內部溫度接近300℃時(shí)，盡管電解液會(huì )氣化噴出，而框體的溫度卻只有幾十攝氏度。另外，模塊內設有過(guò)充電和短路等保護電路，因此危險性極低。 價(jià)格及廠(chǎng)商 雖然鋰離子電容器憑借其小型化優(yōu)勢而在附加值上有一定吸引力，但是略顯過(guò)高的價(jià)格是阻礙其應用普及的主要障礙，當整體市場(chǎng)容量有限時(shí)，尤其有必要降低價(jià)格。另一方面，其競爭產(chǎn)品——雙電層電容器的價(jià)格正在不斷下降。據調查，按雙電層電容器的靜電容量計算，目前其價(jià)格為3.3日元/F，預計2020年可降到1.24日元 /F。而目前鋰離子電容器的價(jià)格則約為5日元/F，要想達到與雙電層電容器相當的水平，還需要一段時(shí)間。不過(guò)，各廠(chǎng)商均認為，只要正式進(jìn)入量產(chǎn)，其價(jià)格即可與雙電層電容器持平。 在量產(chǎn)中，為了確保電池品質(zhì)的穩定，材料十分重要。在這一方面，雙電層電容器廠(chǎng)商也已進(jìn)行了頗為艱苦的工作，鋰離子電容器也非一朝一夕即能趕上�？磥�(lái)，兩者之間暫時(shí)還將存在差距。 在電容器和鋰離子充電電池市場(chǎng)上占優(yōu)勢的日本企業(yè)，在鋰離子電容器的開(kāi)發(fā)方面也領(lǐng)先業(yè)界。JM Energy公司率先建造了專(zhuān)門(mén)的工廠(chǎng)，于2008年底已開(kāi)始以每月30萬(wàn)個(gè)單元的產(chǎn)能進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。 同時(shí)，ACT公司推出能量密度高于40Wh/L的Premlis產(chǎn)品，已用作不間斷電源系統和發(fā)電設備中的輔助蓄電裝置。NEC東金公司發(fā)布了靜電容量達1000F的試制品。FDK公司則致力于開(kāi)發(fā)可消除單元偏差的模塊控制電路，以延長(cháng)使用壽命。日立化成公司開(kāi)發(fā)出靜電容量達900F、直徑為40mm的大型圓筒型單元，適合汽車(chē)及工業(yè)應用。昭榮電子公司則在開(kāi)發(fā)面向小型設備及家電應用的小型圓筒型產(chǎn)品。 作者：狩集浩志 吉田勝 |
