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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公司都曾研制過在電解液中采用鋰氧化物的電容器，但都沒有實現產品化。轉機發生在2005年，富士重工業公司公開了鋰離子電容器的制造技術：電容器負極采用多并苯類材料，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，多家廠商利用這樣的技術，制造出既具有雙電層電容器的高輸出、長壽命特性，同時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)、NEC、JM Energy、太陽誘電等多家公司都在開發鋰離子電容器產品，其中ACT和JM Energy兩家公司的產品已進入量產。 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。某市場調研公司表示，目前雙電層電容器的市場規模約為400億日元(100日元約合7.6元人民幣)；而鋰離子電容器于2008年開始進入量產，預計2010～2011年可正式建立起市場，2020年其市場規模將可達到80億日元，屆時年出貨量將達4000萬個單元。 應用及性能 (一)風力發電 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臺小型風力發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業，并決定轉向用于進行一項政府實驗，為了維持設備運轉，引入了小型風力發電設備和用于蓄電/供電的鋰離子電容器模塊。經過近1年的試運行，于2008年6月正式投入運行。運行狀況顯示：鋰離子電容器在風力發電中的應用效果良好，今后將會推廣普及，前景可待。 電容器模塊被設置于風車和逆變器之間，當風力逐漸變大時，它能吸收發電量，起到緩沖存儲器的作用；當發電突然停止時，則可以利用電容器中儲存的電力，平穩地向逆變器供電。即，微風時設備的發電量較小，可利用電容器供電；相反，強風時設備的發電量會超過逆變器的規定容量(1KW)，這時可利用電容器蓄電，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產生波動，但從1年的試運行情況來看，電壓較為穩定。 (二)路燈電池 L-Kougen公司開發出結合了LED照明燈、太陽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行了實驗，結果表明，不但長期無需維護，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的平均功率驅動兩個1W的LED燈。在周圍沒有其它照明設備的黑暗場所，1個充滿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電量的變化。試制品中采用的是由ACT公司開發的 Premlis單元，靜電容量達到5000F。 (三)在發電和工業設備中取代雙電層電容器 各鋰離子電容器廠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，就可以通過主電源的小容量化實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及電子控制設備的備用電源。可以說， 鋰離子電容器的性能已經全面超越了雙電層電容器，能量密度高是它最突出的特點。目前的試制產品的能量密度約為10Wh/L～30Wh/L，ACT公司的單元甚至可超過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，不僅可以實現大容量的電容器模塊，也可以在同樣能量密度下實現小型化產品。 無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商的試驗表明，經過幾萬次的充/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于雙電層電容器，它在60℃下的特性不會劣化，容量充足時甚至可在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，因此人們擔心它會不會出現“著火和破裂”的危險。實際上，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，從原理上講就不會產生熱散逸的現象。當發生短路時，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火及單元破裂的情況。例如，在FDK公司進行的模塊認證試驗中，當內部溫度接近300℃時，盡管電解液會氣化噴出，而框體的溫度卻只有幾十攝氏度。另外，模塊內設有過充電和短路等保護電路，因此危險性極低。 價格及廠商 雖然鋰離子電容器憑借其小型化優勢而在附加值上有一定吸引力，但是略顯過高的價格是阻礙其應用普及的主要障礙，當整體市場容量有限時，尤其有必要降低價格。另一方面，其競爭產品——雙電層電容器的價格正在不斷下降。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，還需要一段時間。不過，各廠商均認為，只要正式進入量產，其價格即可與雙電層電容器持平。 在量產中，為了確保電池品質的穩定，材料十分重要。在這一方面，雙電層電容器廠商也已進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�，兩者之間暫時還將存在差距。 在電容器和鋰離子充電電池市場上占優勢的日本企業，在鋰離子電容器的開發方面也領先業界。JM Energy公司率先建造了專門的工廠，于2008年底已開始以每月30萬個單元的產能進行商業生產。 同時，ACT公司推出能量密度高于40Wh/L的Premlis產品，已用作不間斷電源系統和發電設備中的輔助蓄電裝置。NEC東金公司發布了靜電容量達1000F的試制品。FDK公司則致力于開發可消除單元偏差的模塊控制電路，以延長使用壽命。日立化成公司開發出靜電容量達900F、直徑為40mm的大型圓筒型單元，適合汽車及工業應用。昭榮電子公司則在開發面向小型設備及家電應用的小型圓筒型產品。 作者：狩集浩志 吉田勝 |
