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大容量锂离子电容器走向实用 |
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| http://cn.newmaker.com
3/4/2009 1:18:00 PM
《电子设计应用》
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发展及市场
锂离子电容器在设计上采用了双电层电容器的原理，同时又在负极添加了锂离子，从而提高了电容器的能量密度。日本旭化成电子公司和FDK公司都曾研制过在电解液中采用锂氧化物的电容器，但都没有实现产品化。转机发生在2005年，富士重工业公司公开了锂离子电容器的制造技术：电容器负极采用多并苯类材料，并在其中掺杂大量的锂离子，电容器的正极材料则仍沿用以往的活性炭。
此后，多家厂商利用这样的技术，制造出既具有双电层电容器的高输出、长寿命特性，同时又能提供较高能量密度的电容器。2008年末，旭化成电子、ACT(高级电容器技术)、NEC、JM Energy、太阳诱电等多家公司都在开发锂离子电容器产品，其中ACT和JM Energy两家公司的产品已进入量产。
锂离子电容器的能量密度得到提高的主要原因在于电容器单元的电压和负极静电容量的增加。传统电容器的电压通常为2.5～3V，而在添加了锂离子之后就可提高到4V。与正极采用相同材料的普通电容器相比，锂离子电容器的单元能量可提高3.5倍。另有看法认为，为实现更大容量，今后锂离子电容器正极材料的静电容量还需要提高。
总之，人们找到了可以取代双电层电容器的大容量锂离子电容器，并对其性能和应用前景很有信心。某市场调研公司表示，目前双电层电容器的市场规模约为400亿日元(100日元约合7.6元人民币)；而锂离子电容器于2008年开始进入量产，预计2010～2011年可正式建立起市场，2020年其市场规模将可达到80亿日元，届时年出货量将达4000万个单元(见图1)。
图1 锂离子电容器市场的发展预测
应用及性能
（一）风力发电
日本ZEPHYR公司在福岛县沿海的海洋天然气田设备(钻井平台)所使用的21台小型风力发电设备中均配置了锂离子电容器模块。2007年，该钻井平台因天然气枯竭而停止营业，并决定转向用于进行一项政府实验，为了维持设备运转，引入了小型风力发电设备和用于蓄电/供电的锂离子电容器模块。经过近1年的试运行，于2008年6月正式投入运行。运行状况显示：锂离子电容器在风力发电中的应用效果良好，今后将会推广普及，前景可待。
电容器模块被设置于风车和逆变器之间，当风力逐渐变大时，它能吸收发电量，起到缓冲存储器的作用；当发电突然停止时，则可以利用电容器中储存的电力，平稳地向逆变器供电。即，微风时设备的发电量较小，可利用电容器供电；相反，强风时设备的发电量会超过逆变器的规定容量(1KW)，这时可利用电容器蓄电，不致造成浪费。
锂离子电容器模块内采用了10个JM Energy公司制造的层叠型单元，起初ZEPHYR公司还曾担心各单元的电压之间会产生波动，但从1年的试运行情况来看，电压较为稳定。
（二）路灯电池
L-Kougen公司开发出结合了LED照明灯、太阳电池板和锂离子电容器的路灯。公司试制品在日本宫崎县进行了实验，结果表明，不但长期无需维护，而且由于重量较轻，因此能够方便地安装在现有的照明灯具上。
试制品可用约0.6W的平均功率驱动两个1W的LED灯。在周围没有其它照明设备的黑暗场所，1个充满电的单元即可维持一整夜的照明。如果采用镍氢电池，那么，为了适应发电量的改变，就需要设计很复杂的控制模块；而能量密度较高的锂离子电容器则可以轻松应对发电量的变化。试制品中采用的是由ACT公司开发的Premlis单元，静电容量达到5000F。
（三）在发电和工业设备中取代双电层电容器
各锂离子电容器厂商都计划在不间断电源系统(UPS)、建设工程电梯等应用中将锂离子电容器用作峰值电流辅助设备和再生电源的蓄电器。如果使用电容器辅助峰值电流，就可以通过主电源的小容量化实现整体系统的小型化，从而使锂离子电容器可在工程机械和工业机器人中用作辅助电源。另外还在考虑将锂离子电容器用作汽车及电子控制设备的备用电源。可以说， 锂离子电容器的性能已经全面超越了双电层电容器，能量密度高是它最突出的特点。目前的试制产品的能量密度约为10Wh/L～30Wh/L，ACT公司的单元甚至可超过40Wh/L，比一般能量密度不到10Wh/L的双电层电容器高出3～5倍。得益于较高的能量密度，不仅可以实现大容量的电容器模块，也可以在同样能量密度下实现小型化产品。
无论是在表示电流输出功率的输出密度方面，还是在使用寿命和维护方面，锂离子电容器与双电层电容器相比都毫不逊色。多家锂离子电容器厂商的试验表明，经过几万次的充/放电，锂离子电容器的容量仍可保持最初容量的90%以上，自放电也很小。锂离子电容器的温度特性，特别是高温特性也优于双电层电容器，它在60℃下的特性不会劣化，容量充足时甚至可在70℃～80℃的高温下工作。
更值得一提的是锂离子电容器的安全性。锂离子电容器与锂离子充电电池在结构和应用上有相似的地方，因此人们担心它会不会出现“着火和破裂”的危险。实际上，与采用LiCoO2等的锂离子充电电池不同，锂离子电容器的正极上不存在氧化物，因此，从原理上讲就不会产生热散逸的现象。当发生短路时，单元的温度大概可能上升到100℃左右，但还不至于出现电解液着火及单元破裂的情况。例如，在FDK公司进行的模块认证试验中，当内部温度接近300℃时，尽管电解液会气化喷出，而框体的温度却只有几十摄氏度。另外，模块内设有过充电和短路等保护电路，因此危险性极低。
价格及厂商
虽然锂离子电容器凭借其小型化优势而在附加值上有一定吸引力，但是略显过高的价格是阻碍其应用普及的主要障碍，当整体市场容量有限时，尤其有必要降低价格。另一方面，其竞争产品——双电层电容器的价格正在不断下降。据调查，按双电层电容器的静电容量计算，目前其价格为3.3日元/F，预计2020年可降到1.24日元/F。而目前锂离子电容器的价格则约为5日元/F，要想达到与双电层电容器相当的水平，还需要一段时间。不过，各厂商均认为，只要正式进入量产，其价格即可与双电层电容器持平。
在量产中，为了确保电池品质的稳定，材料十分重要。在这一方面，双电层电容器厂商也已进行了颇为艰苦的工作，锂离子电容器也非一朝一夕即能赶上。看来，两者之间暂时还将存在差距。
在电容器和锂离子充电电池市场上占优势的日本企业，在锂离子电容器的开发方面也领先业界。JM Energy公司率先建造了专门的工厂，于2008年底已开始以每月30万个单元的产能进行商业生产。
同时，ACT公司推出能量密度高于40Wh/L的Premlis产品，已用作不间断电源系统和发电设备中的辅助蓄电装置。NEC东金公司发布了静电容量达1000F的试制品。FDK公司则致力于开发可消除单元偏差的模块控制电路，以延长使用寿命。日立化成公司开发出静电容量达900F、直径为40mm的大型圆筒型单元，适合汽车及工业应用。昭荣电子公司则在开发面向小型设备及家电应用的小型圆筒型产品。
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