详解锂离子电容器开发

详解锂离子电容器开发（一）高电压、大容量、安全性高FDK开发出了输出功率高、充放电循环特性出色的锂离子电容器。

现已开始用于高电压暂降补偿装置和太阳能发电的负荷平均化等领域，此外，其在混合动力车等需要高输出功率的汽车领域的应用也有进展。

本文将由FDK介绍锂离子电容器的特性以及面向混合动力车等采取的举措。

近年来，为应对化石燃料枯竭和防止地球变暖，人们采取了各种对策。

针对化石燃料问题，积极导入了太阳能发电和风力发电等自然能源。

在防止地球变暖方面，开始针对CO2排量高的汽车实施电动化及马达辅助驾驶等减排对策。

但这些对策导致电力系统不稳定和用电量增加等新课题浮出了水面。

要解决这些课题，蓄电元器件必不可少。

此前的蓄电元器件一直以锂离子充电电池（LIB）为中心推进开发，但因用途的不同，LIB的输出特性和充放电循环寿命（以下简称寿命）存在极限。

我们面向LIB难以支持的用途，开发出了高输出长寿命的锂离子电容器（LIC）“EneCapTen”。

本文将介绍LIC面向今后有望增长的市场——混合动力车市场的应用方案。

高电压大容量LICLIC是正极采用活性炭、负极采用碳材料、电解液采用锂离子有机物（盐：LiPF6，溶剂：PCEC）的电容器。

正极通过双电层的效果蓄电。

负极与LIB一样，由锂离子的氧化还原反应而蓄电。

通过添加锂离子，LIC不但电压升高至约4V，还提高了负极存储的静电容量，单元整体的静电容量可增至原双电层电容器（EDLC）的2倍左右。

因此，LIC与EDLC相比具有高电压大容量的优点例如，单位体积的能量密度为10～50Wh/L，较EDLC的2～8Wh/L的容量要大得多。

虽然比LIB能量密度较低，但LIC的输出密度高、寿命长。

此外，还具有高温特性出色以及自放电比EDLC小的两大特点。

正极不同，安全性较高目前，蓄电用途主要的要求有三点：①安全性、②长寿命、③低价位。

其中①的安全性是最重要的要素。

蓄电元器件是用来储存能源的，如果不能稳定储存，则随着能量密度的升高，元器件会变得非常危险。

目前为提高安全性，对LIB采取为隔膜涂布绝缘物等种种措施，但从本质上来说，蓄电原理本身安全是最理想的。

LIB与LIC的不同点在于正极。

LIB的正极采用锂氧化物，而LIC采用活性炭。

锂氧化物不但含有大量的锂，还含有可起火的重要因素——氧。

因此，如果单元内部因某种原因发生短路，短路导致的发热会使锂氧化物分解，并可进一步发展为单元整体的热分解，从而导致严重发热。

而LIC的正极采用活性炭，虽然发生内部短路时会与负极发生反应，但那之后正极与电解液不会发生反应，从原理上可以说是安全的。

LIC即使发生内部短路，正极与电解液也不会发生反应。

而LIB的正极会与电解液发生反应，导致构成材料发生热分解，从而出现严重的发热现象。

高温耐久性出色关于②长寿命，蓄电元器件由于价格比较高，使用时间越长，越能降低产品生命周期成本。

而且，如果寿命长，还能降低更换频率，减少废弃物等，对环境的负荷较小。

LIB为减轻劣化以实现长寿命，缩窄了充放电范围（充放电深度），但这样实质上可利用的容量就减少了。

而原本是希望扩大充放电深度也能实现长寿命的。

EDLC的充放电原理，是单纯以吸附或脱却电解液中的离子而具有长寿命的，但仅凭这一点很难在实际使用条件下延长寿命。

蓄电元器件存在的弱点是温度会上升。

反复充放电时，内部电阻会导致温度上升，这会大大影响其寿命。

因此，高温耐久性是其必要条件。

高温导致的劣化主要是由正极电解液的氧化分解造成的。

正极的电位越高，或者环境温度越高，越容易发生氧化分解。

因此，在环境温度较高的场所使用时，需要降低正极的电位。

但EDLC如果降低正极电位，单元的电压也会随之下降，因而无法确保容量。

而LIC即使降低正极电位，单元自身的电压也不会大幅下降，因此可确保容量。

而且，因可在正极电位远离氧化分解区域的位置使用，高温耐久性非常出色。

（二）制成模块和铅蓄电池组合使用通过制成模块来削减成本③的低价位对扩大市场很重要。

不过，不仅要求降低蓄电元器件的价格，还应该综合考虑蓄电系统的设置环境和寿命等因素，以降低系统整体的成本。

大型蓄电元器件并不是只要便宜就好的产品，其长期可靠性非常重要，一旦发生问题就会失去市场的信赖，最终会造成巨大损失。

在实际使用条件下，不是单元单体使用，而是需要制成模块，以确保既定的电压或输出功率，因此必须实现模块的低成本化。

LIC可由以下3点来削减模块成本：①单元单体的电压较高，可减少单元数量；②高温耐久性出色，设置条件比较宽松；③可削减管理成本。

关于①，制成既定电压的模块时，单元电压越高，使用的单元数量越少。

例如，电压为300V时，需要120个EDLC的2.5V单元，而使用LIC的3.8V单元只需80个即可。

由于②的特性，可在比较广泛的温度条件下使用。

像LIB那样，需要进行非常严密的温度管理时，则设置场所会受限。

但如果高温耐久性出色，可放宽对温度环境的限制，因此设置场所的自由度较高，能为削减成本做出贡献。

③的管理成本，是指蓄电元器件的管理系统“Battery Management System（BMS）”相关的成本。

LIB等充电电池的充放电曲线会随着电流值和温度环境发生巨大变化，因此为管理充电状态，BMS会花费成本。

LIC如图3所示，充放电曲线的斜率不会随着电流值发生大幅变化。

这种趋势也不会随温度而变化，只需管理电压就能掌握充电状态，因此可降低BMS的成本。

LIC即使输入输出时的电流值发生大幅变化，其斜率也不会改变，因此可轻松管理单元的充电状态。

电力再生市场占LIC的一大半市场以上介绍了LIC的一般特征，下面将介绍我们开发的LIC——EneCapTen的特征（图4）。

EneCapTen的单元采用重视散热性的层压构造，可进行大电力的充放电。

寿命极长，达到10万次以上。

另外，考虑到环境负荷，没有使用铅等重金属。

单元采用层压构造（a）。

45V模块由12个单元构成（b）。

模块将根据用户的性能参数设计。

此外，表2所示的通用模块现已上市，用于混合动力车的4000F单元现正在开发中。

目前，LIC的主要用途有以下四方面：①瞬低补偿装置和UPS（不间断电源）等备用（Backup）市场；②混合动力车、起重机及建筑机械等电力再生市场；③太阳能发电和风力发电等负荷平均化市场；④混合动力车和复印机等电力辅助市场。

其中，市场规模最大的是电力再生市场，估计将占一半以上。

不过，预计今后随着智能电网领域的扩大，太阳能发电和风力发电等负荷平均化用途也将形成一个巨大的市场。

作为瞬低补偿装置我们开发的LIC已经在瞬低补偿装置和太阳能发电负荷平均化等领域得到了采用。

例如，瞬低补偿装置不同于可供应5分钟以上电力的UPS，可针对在1分钟以内的短时间内发生的电力下降供给电力。

EDLC由于容量较小，最多只能补偿雷电造成的数ms左右的瞬时电压下降。

而LIC的容量比较大，可用于电力公司自动供电导致的停电以及从常用线路切换为备用线路时的停电等数秒左右的电压下降。

瞬低补偿装置并非设置在每台设备上，而是通过统一补偿整个工厂，从而可降低管理成本。

瞬低补偿装置目前仍以铅蓄电池为主流，但铅蓄电池的漏电流大，需要花费成为来维持电压，因此今后有望被LIC取代。

正在海岛上做验证试验作为太阳能发电负荷平均化的应用事例，在日本经济产业省的“平成21年度海岛独立型系统新能源导入验证事业”中，冲绳县的与那国岛（150kW）、北大东岛（90kW）和多良间岛（230kW）采用了我们的LIC。

冲绳电力在多良间岛设置了230kW的太阳能发电设备，在实施使用LIC的负荷平均化验证试验。

海岛上存在的问题有用柴油发动机发电的发电成本高和需要为减轻环境负荷而削减CO2排放量等。

作为对策，通过导入太阳能发电和风力发电，在减少柴油发动机发电用燃料的运输量的同时，还可削减CO2排放量。

另外，由于海岛上使用的是独立的小规模系统，可作为微型智能电网验证，因此已经开始了验证试验。

与铅蓄电池组合使用我们认为，包括怠速停止系统（ISS）在内的混合动力车市场今后非常有潜力。

电动汽车和插电式混合动力车等需要一定能量容量的汽车无疑最适合使用LIB。

然而，对混合动力车而言，输出功率、再生效率和寿命比能量容量更为重要，与LIB和镍氢充电电池等充电电池相比，LIC更合适。

具体地，我们打算在配备ISS的车辆上将其与铅蓄电池组合使用。

ISS可发挥两个作用：①在发动机启动时向启动器供电；②在发动机停止时及发电停止时供电。

关于①向启动器供电，采用LIC可代替铅蓄电池供给大电力。

铅蓄电池如果反复以大电力放电，会加速劣化。

因此，通过将LIC与铅蓄电池并联，从低电阻LIC中释放大电力，可防止铅蓄电池因发生大的输出变动而劣化。

在铅蓄电池上并联我们的LIC时的电流和电压变化如图6所示。

试验条件参考了混合动力车的实车行驶模拟模式。

从结果可知，较大电流的变动LIC会予应对，铅蓄电池不会发生大变动。

通过并联铅蓄电池和低电阻LIC，铅蓄电池不会发生较大输出变动，因而可防止劣化。

另外，②的发动机停止时和发电停止时向车载电装品供电很重要。

汽车一般以发动机的皮带驱动发电机转动获得能量，因此发电机直接与燃效相关。

所以，采用使发电机脱离动力源的构造，可实现具有出色燃效的车辆。

不过，即使发电机脱离动力源，助力方向盘等电装品也需要较大的电力。

因此认为，不仅是铅蓄电池，还要追加LIC，方可实现大电力的供给。

最适合用于混合动力车我们还进一步将LIC用于混合动力车作为了目标。

此前由于EDLC容量不足，混合动力车主要采用镍氢充电电池，但LIC的能量密度是EDLC的4倍，因此认为可以用于混合动力车。

LIC的优点如上文所述，是可大幅扩大充放电深度。

镍氢充电电池和LIB如果扩大充放电深度会导致劣化，因此其充放电深度一直在40％左右。

也就是说，容量实际上只利用了40％。

如此看来，用容量虽然小，但能以100％的深度充放电的LIC构成模块，也可实现不逊于充电电池的外形尺寸和重量。

在很多方面具有优势的LIC图7是面向混合动力车试制的模块。

模块的外形尺寸为400mm×400mm×90mm。

容量为240Wh，工作电压为144～72V。

该模块可设置在车辆前座下方，用一个模块能满足辅助发动机驱动的弱混合动力车，用两个模块可支持仅靠马达行驶的强混合动力车。

面向混合动力车开发的模块，容量为240Wh，其外形可供设置在前座下方。

表5是实际使用的混合动力车模块与用我们的LIC构成的模块的比较。

若A～C公司的混合动力车的充放电深度为40％左右，则利用我们开发的模块就能充分确保相同的性能。

而且，如果实际容量相同，LIC在寿命、充电状态管理、安全性、设置自由度以及系统小型化等上具有优势。

寿命、充电状态管理和安全性优势基于前述的LIC特征。