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【讨论】锂离子电容器将驱逐电双层电容器？
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锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（一）：应用促使市场启动 2009/11/18 00:00 打印 E-mail “有可能取代现有的电双层电容器”——锂离子电容器的开发人员异口同声地这样表示，显示了对这种器件的性能及发展前景的自信。虽然对锂离子电容器的开发此前一直都在进行，但以2005年富士重工宣布采用多并苯（Polyacene）扩大容量的技术为契机，开发速度进一步加快。2008年出现了决定量产的厂商，2010～2011年市场将全面启动。 电双层电容器的市场规模目前约为40亿日元。调查公司日本Hiedge Institute董事长东谷仁志表示，这是“保守的数字”，他预测锂离子电容器到2020年将发展成80亿日元以上的市场（图1）。  图1 锂离子电容器的市场预测预计2009～2010年开始量产。2011年前后市场全面启动，到2020年市场规模达到80多亿日元。（本刊根据日本Hiedge Institute公司资料制作）(点击放大) 越来越多的实际应用促使市场启动 锂离子电容器采用将锂离子充电电池的负极与电双层电容器的正极组合在一起的构造，因而具备优于电双层电容器的电气性能。 目前，锂离子电容器已开始被应用于实际业务中。日本福岛县海上的海洋天然气田采掘设备（钻井平台）所引进的风力发电设备中，就与21台小型风力发电装置一起，安装了采用锂离子电容器模块。虽然该钻井平台已停止工作，今后将供在海中储存二氧化碳的实验应用。为了确保钻井平台的维修用电，钻井平台上设置了日本Zephyr公司的小型风力发电装置“Air Dolphin”及电容器模块（图2）。1年左右的试运转之后，2008年6月开始正式运行。Zephyr董事长伊藤瞭介对锂离子电容器的发展前景极为看好，“对风力发电而言，锂离子电容器是一种极佳的器件。希望今后全面普及”， 注1）。  图2 采用了锂离子电容器的Zephyr公司风力发电设备(点击放大) 设在风车与逆变器之间的电容器模块，能够吸收随风力大小而大幅变动的发电量，起到缓冲器的作用（图3）。如图3的图表所示，即使突然发电停止，也可通过使用电容器模块中蓄积的电能，使逆变器的输入电压保持正常。另外，一般来说，在低于逆变器损耗的、微风时的小发电量无法储蓄，而通过暂时将电储存在电容器中，就可实现蓄电。相反，在产生超过逆变器额定容量（1kW）的发电量的强风时，通过向电容器内蓄电，即可避免浪费所产生的电能。电容器模块是由Zephyr与JM Energy共同开发的。“当初曾担心10枚电池单元电压之间的性能不平衡，但近1年来的运转情况表明运行十分稳定”（Zephyr公司伊藤）。  图3 风力发电设备中锂离子电容器的作用在各个发电机中设置锂离子电容器模块，逆变器通过电容器接收来自发电机的电力（a）。通过电容器调节施加给逆变器的直流电输入电压，即使风车停转、供电停止，也能释放储存在电容器中的电能，防止流向逆变器的电流出现剧烈的输入输出变动（b）。（图：本刊根据Zephyr公司资料制作）(点击放大) 还可用于街灯 此外还有其他的采用事例。日本L光源（L-kougen）公司开发出了集LED照明、太阳能电池面板及锂离子电容器于一体的街灯，该公司的试制品已被日本宫崎县试验性引进（图4）。“长期无需维修，而且很轻，可安装在照明灯上使用”（L-kougen董事长清濑庆太）。  图4 采用锂离子电容器及LED照明的路灯集太阳能电池板、LED照明及锂离子电容器于一体的试制品（a）。在日本宫崎县得到采用。使用白天储存在锂离子电容器中的电能来点亮LED（b）。由于采用了电容器，因而能够高效率地储存变动较大的、来自太阳能电池板的电能。(点击放大) 试制品以平均0.6W的功率，驱动2只1W的LED照明灯。由于街道位于周围没有其他照明的暗处，因此，如果充满电的话，足够一个晚上使用。虽然也探讨了采用镍氢电池的可行性，但要应对发电量的变动，控制模块等会变得很复杂。因此，采用了能轻松应对发电变动、且能量密度较高的锂离子电容器。电池单元采用了Advanced Capacitor Technologies（ACT）开发的“Premlis”电容器的静电容量为5000F的电池单元 注2）。（未完待续，记者：吉田胜） 更多请看明日刊出的（二）：超越电双层电容器的性能 |
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锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（二）：超越电双层电容器的性能
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锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（二）：超越电双层电容器的性能 2009/11/19 00:00 打印 E-mail 上接本站报道： 锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（一）：应用促使市场启动 超越电双层电容器的性能 可以直言不讳地说，锂离子电容器的性能全面超过了电双层电容器。差异最大的是能量密度的大小。主要样品的单位体积的能量密度大致为10～30Wh/L，其中有的甚至像ACT公司的电池单元那样超过了40Wh/L。是10Wh/L以下的电双层电容器的3～5倍（图5、图6）。虽然这一指标还赶不上锂离子充电电池，但等同或者高于铅蓄电池。能量密度高，意味着可实现电容器模块的大容量化，或者在相同能量条件下实现模块的小型化。  图5 锂离子电容器的电气性能不仅电气性能，安全性及循环使用特性等也很出色（a）。特别是能量密度方面，虽然赶不上锂离子充电电池，但却是电双层电容器的数倍，并且不次于铅蓄电池。输出密度也超过电双层电容器（b）。(点击放大) 在表示电流输出大小的输出密度方面，锂离子电容器不逊色于电双层电容器，在寿命及维修方面，也不比电双层电容器差。多家锂离子电容器厂商的试验已表明，即使反复进行数万次充放电，仍能保持初期容量的90％以上。另外，锂离子电容器的自身放电很小，例如，日本昭荣电子所做的圆筒型锂离子电容器自身放电特性评估结果显示，经过2500小时后保持了95％以上的电压（图6（a）） 3）～4）。温度特性方面，也胜过电双层电容器一筹。尤其是高温特性出色，“在60℃下，特性也不会变差。如果使用时在容量上留有富余，那么即使在70～80℃下仍可使用”（昭荣电子）。  图6 锂离子电容器的性能评估实例由旭化成所做的能量密度及输出密度评估。能量密度方面，目前已达到电双层电容器的3～5倍。昭荣电子的报告显示，经过2500小时仍保持了95％以上的电压，自身放电特性也高于已有的电双层电容器（b）。本刊根据旭化成及昭荣电子的资料制作）(点击放大) 不会发生热失控 另一个重要的特点是，锂离子电容器比较安全。由于锂离子电容器与锂离子充电电池在结构及用途上有相似的部分，因此“总是有人问我有没有起火及破裂的危险”（锂离子电容器开发责任人）。不过，这一点不必担心。 从根本上说，由于锂离子电容器与采用LiCoO2材料的锂离子充电电池不同，其正极没有氧化物，因此，从原理上说不会发生热失控*。因而，即使发生短路，造成温度上升，电池单元单体最多也只能达到一百几十℃，不至于发生电解液的起火以及电池单元的破裂。因此，多数意见倾向于认为，无需像锂离子充电电池那样担心其安全性。 *热失控：是指电池单元内部的温度上升，到200℃左右时正极材料的结晶裂变，释放出氧气，这些氧气导致发热，从而发生连锁反应。原因在于，因混入内部的异物等而析出的金属离子不断长大，使得内部发生短路。有时气化的电解液甚至会起火。 正在进行开发的各厂商根据锂离子充电电池安全标准“JIS C8712”，实施了钉子穿刺、强制短路以及过放电/过充电等试验，虽然出现过钉子穿刺导致的电解液气化以及电池单元的膨胀现象，但“无论怎么损坏都没有发生任何安全问题”（ACT公司），在安全性能方面获得了信任（图7） 注3）。  图7 锂离子电容器的安全性钉子穿刺试验的结果显示，尽管表面温度上升，但未出现破裂及起火等现象（a）。图表为ACT公司的实验结果。其他锂离子充电电池安全标准试验已顺利通过。因为从原理上说，不会出现锂离子充电电池那样的热失控，所以安全性较高（b）。(点击放大) 例如，在FDK（日本富士电气化学）实施的模块钉子穿刺试验中，尽管内部温度达到近300℃，电解液发生气化并喷出，但壳体仅达到数十℃左右。此外，由于模块中设有针对过充电及短路等的保护电路，因此，估计危险性极低 注4）。（未完待续，记者：吉田胜） 更多请看明日刊出的（三）：在发电及产业设备中取代电双层电容器 |
4楼2009-11-19 08:33:53
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锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（三）：在发电及产业设备中取代电双层电容器 2009/11/20 00:00 打印 E-mail 上接本站报道： 锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（二）：超越电双层电容器的性能 锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（一）：应用促使市场启动 在发电及产业设备中取代电双层电容器 如果仅从性能方面进行评估，锂离子电容器具有取代现有的电双层电容器市场的实力。精通电容器技术的日本东京农工大学教授直井胜彦对其寄予了期望，“锂离子电容器的电气性能及循环使用等特性均相当高，只要设计得好，就能成为一种很好的器件。希望它在市场上取得成功”。 从市场的角度来看，锂离子电容器有望取代要求容量的大型电双层电容器。电容器的体积能够缩小到以前的几分之一。Zephyr之所以率先将目光投向锂离子电容器，也是因为“电双层电容器由于电容器模块过大，不实用”（该公司的伊东）。在L光源公司的LED街灯上，可安装于照明上的尺寸，成为得到采用的决定因素 注5）。 在不间断电源装置（UPS）、建筑机械及电梯等的峰值电流辅助、以及再生电能的储存等电双层电容器已开始普及的用途方面，估计那些正在开发锂离子电容器的各厂商将可充分进行竞争（图8）。如果借助电容器来辅助峰值电流，就能通过减小主电源的容量以实现系统整体的小型化，因此，锂离子电容器有望用作机床及工业用机器人等的辅助电源。在“环保及二氧化碳减排成为主旋律之一”（日立化成）的今天，这种节电功能适用于需要动力的所有产业设备。另外，在产业设备领域，温度特性优良的特点也对锂离子电容器有利。这是因为，锂离子电容器能够在电双层电容器很难做到的严苛温度环境下使用。  图8 被寄予期望的锂离子电容器市场由于拥有较高的能量密度及输出密度、以及出色的循环使用特性，因此，能够与电双层电容器同样地用于长期免维修用途、以及电容器小型化用途。除峰值电流辅助及能量再生用途之外，还有望用于替代铅蓄电池。(点击放大) 不过，总而言之将来最有希望的还是汽车市场。可以考虑应用于电子控制设备的备用电源、无空转停车时的起动辅助以及能源再生等。然而，要将锂离子电容器配备到汽车上，则要求有实际应用业绩以及进一步的安全性验证，因此，实现实用化是将来的事情。（未完待续，记者：吉田胜） 更多请看明日刊出的（四）：在发电及产业设备中取代电双层电容器 |
5楼2009-11-20 09:09:30
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锂离子电容器将驱逐双电层电容器？（四）：凭借特色参与竞争的厂商
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锂离子电容器将驱逐双电层电容器？（四）：凭借特色参与竞争的厂商 2009/11/23 00:00 打印 E-mail 上接本站报道： 锂离子电容器将驱逐双电层电容器？（三）：在发电及产业设备中取代双电层电容器 锂离子电容器将驱逐双电层电容器？（二）：超越双电层电容器的性能 锂离子电容器将驱逐双电层电容器？（一）：应用促使市场启动 凭借特色参与竞争的厂商 在电容器及锂离子充电电池市场上表现强势的日本企业，在锂离子电容器的开发方面目前也处于全球领先地位。JM Energy的业内首家专用工厂已竣工，将于2008年12月开始30万电池单元/月的商业生产。 除此之外，目前仅外界了解的就有6家厂商正在进行开发。各厂商在设想将锂离子电容器用于太阳能及风力发电的电能储存、产业设备及汽车的辅助电源以及能源再生等用途这一点上相差不大。不过，各厂商通过突出电气性能之高、使用方便性之佳以及坚固性等各自的特点，以表现出独创性，力争占领新市场（表1）。  表1 锂离子电容器厂商的主要开发产品及特点(点击放大) ACT公司于2008年11月推出了以高能量密度为特点的电池单元Premlis 注6）。可在UPS及发电设备的辅助蓄电装置上发挥效果。能量密度达到40Wh/L以上，“是双电层电容器的5倍左右，为全球最高水平”（该公司）。将建立2万件/月的供应体制，力争2010年正式量产。 另一方面，旭化成则认为“输出密度才是锂离子电容器的特点”。与以往电池单元的最大输出密度在10kW/L以下形成对照的是，该公司的电池单元高达30kW/L。“通过改变材料，从而实现了提升”（该公司）。尤其适用于峰值电流辅助用途。 NEC东金于2008年9月发布了静电容量为1000F的试制电池单元。该公司虽然目前主要生产10F以下的小型双电层电容器，但已将锂离子电容器定位于其产品构成中欠缺的大型双电层电容器的替代产品。该公司表示，作为高容量高输出的电容器，为了降低热损耗，今后将力争降低其内部电阻 注7）。 而FDK公司则力争通过使用方便性实现产品的差别化。该公司的“EneCapTen”在电池单元的电气性能方面采用标准指标，但在模块的控制电路上却下足了工夫。例如，可对模块内电池单元的初始电压误差进行补偿，以及对多个模块进行统一管理。“由于电池单元的电压在使用中会略微产生误差，因此，在电池长时间工作的产业用途方面，这是一项很重要的控制”（该公司） 注8）。 日立化成等集团公司将在圆筒型电池单元的坚固性方面一较高下 注9）。该公司开发出了静电容量为900F、直径为40mm的大型圆筒型电池单元。在汽车及工厂内产业设备之类的严苛环境下，包裹在金属壳体中、能耐受热变形及电解液泄漏的圆筒型电池单元将能发挥所长。同为圆筒型电池单元，昭荣电子则开发旨在应用于小型设备及家电产品等的小直径电池单元。该产品在办公设备领域已有采用实例，测量设备厂商也表示出了兴趣。该公司表示，“在民用产品领域积累业绩，是实现实用化的捷径”，表达出将该产品应用于家电等产品的意愿。（未完待续，记者：吉田胜） 更多请看明日刊出的（五）：成本还在扯后腿 |
6楼2009-11-25 08:27:50
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锂离子电容器将驱逐双电层电容器（五）：成本还在扯后腿
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锂离子电容器将驱逐双电层电容器（五）：成本还在扯后腿 2009/11/25 00:00 打印 E-mail 上接本站报道： 锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（四）：凭借特色参与竞争的厂商 锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（三）：在发电及产业设备中取代电双层电容器 锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（二）：超越电双层电容器的性能 锂离子电容器将驱逐电双层电容器？（一）：应用促使市场启动 成本还在扯后腿 锂离子电容器目前的价格则是其普及的绊脚石。虽然有的观点认为，“如果对锂离子电容器有助于企业实现产品小型化这一附加值加以宣传，那么即便多少有点贵，也会畅销”，但由于市场规模有限，因此，降低成本势在必行。况且，作为竞争对手的电双层电容器的价格正在持续下滑。Hiedge公司的调查结果显示，电双层电容器的单位静电容量价格目前为3.3日元/F左右，到2020年有可能下降到1.24日元/F 2）。目前，锂离子电容器的价格估计接近5日元/F，可以想见，要跟进降价至上述水平，还需要相当长的时间。尽管厂商一致表示“如果正式开始量产，则单位容量的价格会降至电双层电容器的同等水平”，但在需求较少的情况下，厂商不会着手进行量产，因此成本也无法进一步降低。目前亟需像JM Energy那样果断的先期投资。 量产时能否确保稳定的质量，也成为业内人士担心的理由。“电双层电容器厂商此前为确保电池单元的稳定质量下了大力气。这不是锂离子电容器一朝一夕就能赶上的”（Hiedge的东谷）。 有鉴于此，即便锂离子电容器开始了量产，也很难想象在随后的1～2年内能够迅速普及。毕竟大型电双层电容器的市场才刚刚启动不久。如果考虑到设备厂商的测试期，那么锂离子电容器的大量应用将花费数年的时间。在一段时间内，锂离子电容器与电双层电容器并存的状态将会持续。 注10）（全文完，记者：吉田胜） 注1） 在1台设备中设置20台以上的发电机以及电容器，这对Zephyr而言也是首次尝试。由于小型风力发电机对风速的变动反应敏感，因而所发的电的变动幅度较大。“由于可借助电容器的调节功能来开/关逆变器，因此，与系统电力的联动变得容易，也受到电力公司的欢迎”（该公司的伊藤）。 注2） 计划2009年年初投产，日本九州地方的部分地方行政机构已在探讨大量采用。为了进一步降低耗电量，目前正在探讨嵌装人体感应传感器的产品。 注3） 虽然ACT公司的Premlis为了防止电解液气化导致破裂而设置了安全阀，但估计“在-30～＋60℃左右的温度环境下，无需该安全阀”（该公司）。不过，如果打算制造更高能量密度的电池单元，那么危险性也必然将会提高。 注4） 例如，当发生外部短路时，FDK公司的模块的控制电路会在瞬间切断电流，因此，电池单元不会损伤及老化，可以重新使用。 注5） 如果照明元件能够实现小型化，那么支柱的重量就能减轻，进而可降低安装费用。 注6） Premlis包括静电容量为5000F的“A5000”、静电容量为2000F的“A2000”，静电容量为1000F的“B1000”三种。另外，还有嵌装12个或者10个A5000的电容器模块。虽然没有对外宣布，但可以看出正极材料采用了日本电子公司开发的非多孔性、具有较高静电容量的“纳米碳”。 注7） 从事锂离子充电电池及钽电容器等业务的该公司，将凭借丰富的蓄电设备产品线展开竞争。 注8） 另外还具备如下功能：当连接多个模块时，设定为主模块的模块可连同其他从属模块的电压信息一起，与设备间进行信息交换。 注9） 由开发及制造电池的新神户电机、从事电容器业务的日立AIC以及拥有锂离子充电电池及锂离子电容器基本技术的日立化成这3家公司联手开发。 注10） 由于必需对下限电压进行管理，因而比电双层电容器的操作复杂，这一点是作为电双层电容器替代品的不利因素。因此，锂离子电容器厂商比起供应电池单元单体，更着重于提供符合设备厂商的性能指标的定制模块。 |
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