鋰離子電容器 替代效應(yīng)顯現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)化啟動(dòng)在即

編者點(diǎn)評(píng)：電能儲(chǔ)存是世界級(jí)的難題，尤其在新能源發(fā)展時(shí)代，然而有關(guān)此類的文獻(xiàn)報(bào)道不多見(jiàn)，本文是個(gè)范例，希望能引起大家的關(guān)心。

    鋰離子電容器六大趨勢(shì)

    鋰離子電容器作為一種新型高端電源元件，雖然面世時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域正在拓展，市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)。其發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

    1.鋰離子電容器是雙電層電容器的衍生品，性能更加優(yōu)越，未來(lái)將與超級(jí)電容器形成競(jìng)爭(zhēng)替代關(guān)系，前景無(wú)限光明。

    2.鋰離子電容器的研發(fā)主要集中在國(guó)外尤其是日本，并形成了幾家有實(shí)力進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的廠商，應(yīng)用市場(chǎng)將首先在國(guó)外啟動(dòng)。

    3.中國(guó)的鋰離子電容器整體研發(fā)比較滯后，參與研發(fā)單位少，成果用于產(chǎn)業(yè)化的路途遙遠(yuǎn)。而正是由于研發(fā)單位少、關(guān)注度低，搶先起步者才更有機(jī)會(huì)。如果國(guó)內(nèi)企業(yè)能將現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外成熟技術(shù)成果引進(jìn)并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，將取得先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

    4.雙電層電容器目前在國(guó)內(nèi)是作為新型儲(chǔ)能裝置出現(xiàn)的，鋰離子電容器要想在短期內(nèi)將其替換不太現(xiàn)實(shí)。

    5.鋰離子電容器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，特別是在新興能源領(lǐng)域如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能路燈、電動(dòng)汽車等方面。由于鋰離子電容器本身的環(huán)保特征，若能與這些產(chǎn)業(yè)配套結(jié)合，將形成我國(guó)綠色能源的有效載體。

    6.根據(jù)超級(jí)電容器的發(fā)展進(jìn)程，預(yù)計(jì)鋰離子電容器在國(guó)際市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)化啟動(dòng)在2011年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)啟動(dòng)要滯后3-5年。

    鋰離子電容器(LIC)是一種在新世紀(jì)推出的能量密度大大超過(guò)雙電層電容器(EDLC)的新型電源元件，具有廣闊的發(fā)展前景。鋰離子電容器在設(shè)計(jì)上采用了雙電層電容器的原理，在構(gòu)造上采用了鋰離子充電電池(LIB)的負(fù)極材料與雙電層電容器的正極材料的組合，同時(shí)又在負(fù)極添加了鋰離子，從而大大提高了電容器的能量密度。全球鋰離子電容器的研制工作始于21世紀(jì)初，2005年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，2008年進(jìn)入量產(chǎn)化，旭化成電子、ACT、NEC、JMEnergy、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。預(yù)計(jì)2013年可形成規(guī)模化，2020年可普及應(yīng)用。

    逐步走向?qū)嵱?/p>

    •預(yù)計(jì)2010年～2011年鋰離子電容器可正式產(chǎn)業(yè)化。
    •鋰離子電容器正在一些特殊領(lǐng)域如風(fēng)力發(fā)電、路燈電池以及發(fā)電和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域逐步取代雙電層電容器。

    據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司分析，目前世界超級(jí)電容器的市場(chǎng)規(guī)模約為30億元。而鋰離子電容器作為一種新型超級(jí)電容器，預(yù)計(jì)2010年～2011年可正式產(chǎn)業(yè)化，2020年其市場(chǎng)規(guī)模將可達(dá)到6億元，屆時(shí)年出貨量將達(dá)4000萬(wàn)個(gè)單元。

    鋰離子電容器正在一些特殊領(lǐng)域逐步取代雙電層電容器：一是在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。日本ZEPHYR公司在福島縣沿海的海洋天然氣田設(shè)備(鉆井平臺(tái))所使用的21臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中均配置了鋰離子電容器模塊,運(yùn)行狀況顯示應(yīng)用效果良好。電容器模塊被設(shè)置于風(fēng)車和逆變器之間，當(dāng)風(fēng)力逐漸變大時(shí)，它能吸收發(fā)電量，起到緩沖存儲(chǔ)器的作用；當(dāng)發(fā)電突然停止時(shí)，則可以利用電容器中儲(chǔ)存的電力，平穩(wěn)地向逆變器供電。二是在路燈電池領(lǐng)域。L-Kougen公司開(kāi)發(fā)出結(jié)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(yàn)，結(jié)果表明，此路燈不但長(zhǎng)期無(wú)須維護(hù)，而且重量較輕，因此能夠方便地安裝在現(xiàn)有的照明燈具上。三是在發(fā)電和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。各鋰離子電容器廠商都計(jì)劃在不間斷電源系統(tǒng)(UPS)、建設(shè)工程電梯等應(yīng)用中將鋰離子電容器用作峰值電流輔助設(shè)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(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化，從而使鋰離子電容器可在工程機(jī)械和工業(yè)機(jī)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(shè)備的備用電源。

    新產(chǎn)品不斷推出

    •復(fù)合鋰離子電容器與雙電層電容器相比實(shí)現(xiàn)了約3倍的能量密度。
    •新型混合型水系鋰離子電容器可望作為燃料電池汽車最合適的輔助電源、短距離電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源。

    隨著鋰離子電容器制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，具有新功能和新特性的鋰離子電容器不斷涌現(xiàn)。

    一、快速充電鋰離子電容器。

    日本太陽(yáng)誘電公司開(kāi)發(fā)的新型鋰離子電容器，只需30秒鐘就能完成充電，它迅速就能充滿電的優(yōu)點(diǎn)使得其在很多領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。比如，30秒就能充滿電的鋰離子電容器可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)剃須刀工作約5分鐘，緩解上班族的燃眉之急。

    目前，鋰離子電容器主要用作各種小型玩具和計(jì)測(cè)儀器的電源，也可以作為蓄電源與太陽(yáng)能電池或發(fā)電機(jī)配合使用。人們?nèi)粘５倪\(yùn)動(dòng)可以引起鋰離子在鋰離子電容器正負(fù)極之間運(yùn)動(dòng)，從而使這種鋰離子電容器不斷地充電和放電。將來(lái)如果音樂(lè)播放器用上這種鋰離子電容器，人們就可以一邊鍛煉一邊聽(tīng)音樂(lè)，而不需要其他電源。

    二、耐高溫鋰離子電容器。

    日本FDK公司在2007年4月展出了正在開(kāi)發(fā)的鋰離子電容器“EneCapTen”。FDK此次開(kāi)發(fā)的電容器的特點(diǎn)是高溫負(fù)荷特性出色、自放電少。在高溫負(fù)荷特性方面，通過(guò)將60℃環(huán)境下的最大電壓設(shè)定為3.6V，即使超過(guò)4000小時(shí)，容量也幾乎不會(huì)下降。在自放電方面，改善了自放電特性，即使超過(guò)4000小時(shí)，電壓也幾乎不會(huì)下降，這在此前的雙電層電容器中很難實(shí)現(xiàn)。

    三、復(fù)合鋰離子電容器。

    日本東京農(nóng)工大學(xué)研究生院于2009年3月宣布，開(kāi)發(fā)出了采用碳納米纖維(CNF)與LTO復(fù)合而成的負(fù)極鋰離子電容器，與以往采用活性炭的雙電層電容器相比。實(shí)現(xiàn)了約3倍的能量密度。它的最大特點(diǎn)是雖然采用含有率高達(dá)80%～85%的LTO，仍確保了電子的導(dǎo)電通路。因此，即使在高倍率下放電，電容維持率仍相當(dāng)高。

    四、高比能量、大功率、長(zhǎng)壽命、低成本新型混合型水系鋰離子電容器。

    復(fù)旦大學(xué)發(fā)明了一種新型的水系“搖椅式”混合電容器體系，負(fù)極采用活性炭，正極采用尖晶石型錳酸鋰(現(xiàn)在動(dòng)力鋰離子電池用正極材料)和水溶液電解質(zhì)。其具有高比能量、大功率、長(zhǎng)壽命、低成本和高安全性的特點(diǎn)，綜合性能超過(guò)現(xiàn)有任何一種電容器，包括AC/Ni(OH)2體系。由于其生產(chǎn)工藝基本與AC/Ni(OH)2相同，而且采用低成本的錳酸鋰，因此將大大降低生產(chǎn)成本，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另外，由于它可望作為燃料電池汽車最合適的輔助電源、短距離電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源和與太陽(yáng)能電池組成混合型貯能體系直接利用太陽(yáng)光自然能源等，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

    五、高能量密度、大容量、小型化鋰離子電容器。

    在電容器和鋰離子充電電池市場(chǎng)上占優(yōu)勢(shì)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。JMEnergy公司率先建造了專門(mén)的工廠，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)化生產(chǎn)。同時(shí)，日本ACT公司也推出能量密度高于40Wh/L的Premlis產(chǎn)品，已用作不間斷電源系統(tǒng)和發(fā)電設(shè)備中的輔助蓄電裝置。日本NEC東金公司發(fā)布了靜電容量達(dá)1000F的試制品。日本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(zhǎng)使用壽命。日立化成公司開(kāi)發(fā)出靜電容量達(dá)900F、直徑為40mm的大型圓筒形單元，適合汽車及工業(yè)應(yīng)用。昭榮電子公司則在開(kāi)發(fā)面向小型設(shè)備及家電應(yīng)用的小型圓筒形產(chǎn)品。

    市場(chǎng)前景廣闊

    •鋰離子電容器過(guò)高的價(jià)格阻礙了應(yīng)用普及，有必要降低價(jià)格。
    •大容量電容器將大量用作汽車中伴隨電子化而產(chǎn)生的輔助及備用電源、太陽(yáng)能發(fā)電等自然能源發(fā)電中的發(fā)電量均衡化設(shè)備等。

    雖然鋰離子電容器憑借其小型化優(yōu)勢(shì)而在附加值上有一定吸引力，但一方面其略顯過(guò)高的價(jià)格阻礙了應(yīng)用普及，在整體市場(chǎng)容量有限時(shí)，尤其有必要降低價(jià)格;另一方面，其競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品———雙電層電容器的價(jià)格正在不斷下降。據(jù)調(diào)查，按雙電層電容器的靜電容量計(jì)算，目前其價(jià)格為3.3日元/F，預(yù)計(jì)2020年可降到1.24日元/F。而目前鋰離子電容器的價(jià)格約為5日元/F，要想達(dá)到與雙電層電容器相當(dāng)?shù)膬r(jià)格水平，還需要一段時(shí)間。不過(guò)，各廠商均認(rèn)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(wěn)定，材料十分重要。在這一方面，雙電層電容器廠商也已進(jìn)行了頗為艱苦的工作，鋰離子電容器也非一朝一夕就能趕上?？磥?lái)，兩者之間暫時(shí)還會(huì)存在差距。

    在LIC市場(chǎng)方面，日本國(guó)內(nèi)有8家廠商計(jì)劃參與，預(yù)計(jì)今后量產(chǎn)體制將進(jìn)一步完善。歐洲汽車廠商也在積極采取措施，預(yù)計(jì)需求可在2012年～2013年度釋放。不過(guò)，矢野經(jīng)濟(jì)分析認(rèn)為，無(wú)論是LIC還是原來(lái)的雙電層電容器，其用途特性及定價(jià)今后都將接受考驗(yàn)。

    此外，專家還預(yù)測(cè)，大容量電容器將大量用作汽車中伴隨電子化而產(chǎn)生的輔助及備用電源、太陽(yáng)能發(fā)電等自然能源發(fā)電中的發(fā)電量均衡化設(shè)備等，瞬間電壓下降補(bǔ)償裝置、不停電電源裝置(UPS)以及鐵路再生能源的儲(chǔ)存等用途也值得期待，同時(shí)其也可用作各種應(yīng)急電源以及小型便攜設(shè)備用電源。

    由于LIC的再利用特性良好，因此減少了更換和維修的麻煩，有望應(yīng)用于室外用再生性能源蓄電系統(tǒng)。