鋰離子電容器 替代效應顯現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)化啟動在即

編者點評：電能儲存是世界級的難題，尤其在新能源發(fā)展時代，然而有關此類的文獻報道不多見，本文是個范例，希望能引起大家的關心。

    鋰離子電容器六大趨勢

    鋰離子電容器作為一種新型高端電源元件，雖然面世時間不長，但發(fā)展勢頭迅猛，應用領域正在拓展，市場需求不斷增長。其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

    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，未來將與超級電容器形成競爭替代關系，前景無限光明。

    2.鋰離子電容器的研發(fā)主要集中在國外尤其是日本，并形成了幾家有實力進行產(chǎn)業(yè)化的廠商，應用市場將首先在國外啟動。

    3.中國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。而正是由于研發(fā)單位少、關注度低，搶先起步者才更有機會。如果國內(nèi)企業(yè)能將現(xiàn)有國內(nèi)外成熟技術成果引進并進行產(chǎn)業(yè)化，將取得先發(fā)優(yōu)勢。

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

    5.鋰離子電容器應用領域廣泛，特別是在新興能源領域如風力發(fā)電、太陽能路燈、電動汽車等方面。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，將形成我國綠色能源的有效載體。

    6.根據(jù)超級電容器的發(fā)展進程，預計鋰離子電容器在國際市場的產(chǎn)業(yè)化啟動在2011年，國內(nèi)市場啟動要滯后3-5年。

    鋰離子電容器(LIC)是一種在新世紀推出的能量密度大大超過雙電層電容器(EDLC)的新型電源元件，具有廣闊的發(fā)展前景。鋰離子電容器在設計上采用了雙電層電容器的原理，在構造上采用了鋰離子充電電池(LIB)的負極材料與雙電層電容器的正極材料的組合，同時又在負極添加了鋰離子，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世紀初，2005年實現(xiàn)產(chǎn)品化，2008年進入量產(chǎn)化，旭化成電子、ACT、NEC、JMEnergy、太陽誘電等多家公司都在開發(fā)鋰離子電容器產(chǎn)品。預計2013年可形成規(guī)模化，2020年可普及應用。

    逐步走向?qū)嵱?/p>

    •預計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域如風力發(fā)電、路燈電池以及發(fā)電和工業(yè)設備領域逐步取代雙電層電容器。

    據(jù)市場調(diào)研公司分析，目前世界超級電容器的市場規(guī)模約為30億元。而鋰離子電容器作為一種新型超級電容器，預計2010年～2011年可正式產(chǎn)業(yè)化，2020年其市場規(guī)模將可達到6億元，屆時年出貨量將達4000萬個單元。

    鋰離子電容器正在一些特殊領域逐步取代雙電層電容器：一是在風力發(fā)電領域。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(fā)電設備中均配置了鋰離子電容器模塊,運行狀況顯示應用效果良好。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(fā)電量，起到緩沖存儲器的作用；當發(fā)電突然停止時，則可以利用電容器中儲存的電力，平穩(wěn)地向逆變器供電。二是在路燈電池領域。L-Kougen公司開發(fā)出結(jié)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(jié)果表明，此路燈不但長期無須維護，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)設備領域。各鋰離子電容器廠商都計劃在不間斷電源系統(tǒng)(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(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化，從而使鋰離子電容器可在工程機械和工業(yè)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。

    新產(chǎn)品不斷推出

    •復合鋰離子電容器與雙電層電容器相比實現(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、短距離電動汽車的動力電源。

    隨著鋰離子電容器制造技術的不斷改進，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。

    日本太陽誘電公司開發(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)點使得其在很多領域具有較大的應用潛力。比如，30秒就能充滿電的鋰離子電容器可驅(qū)動電動剃須刀工作約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測儀器的電源，也可以作為蓄電源與太陽能電池或發(fā)電機配合使用。人們?nèi)粘５倪\動可以引起鋰離子在鋰離子電容器正負極之間運動，從而使這種鋰離子電容器不斷地充電和放電。將來如果音樂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音樂，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月展出了正在開發(fā)的鋰離子電容器“EneCapTen”。FDK此次開發(fā)的電容器的特點是高溫負荷特性出色、自放電少。在高溫負荷特性方面，通過將60℃環(huán)境下的最大電壓設定為3.6V，即使超過4000小時，容量也幾乎不會下降。在自放電方面，改善了自放電特性，即使超過4000小時，電壓也幾乎不會下降，這在此前的雙電層電容器中很難實現(xiàn)。

    三、復合鋰離子電容器。

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

    四、高比能量、大功率、長壽命、低成本新型混合型水系鋰離子電容器。

    復旦大學發(fā)明了一種新型的水系“搖椅式”混合電容器體系，負極采用活性炭，正極采用尖晶石型錳酸鋰(現(xiàn)在動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、長壽命、低成本和高安全性的特點，綜合性能超過現(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，帶來巨大的經(jīng)濟效益。另外，由于它可望作為燃料電池汽車最合適的輔助電源、短距離電動汽車的動力電源和與太陽能電池組成混合型貯能體系直接利用太陽光自然能源等，因而具有廣闊的應用前景。

    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上占優(yōu)勢的日本企業(yè)，在鋰離子電容器的開發(fā)方面也領先業(yè)界。JMEnergy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(chǎn)能進行商業(yè)化生產(chǎn)。同時，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1000F的試制品。日本FDK公司則致力于開發(fā)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(fā)出靜電容量達900F、直徑為40mm的大型圓筒形單元，適合汽車及工業(yè)應用。昭榮電子公司則在開發(fā)面向小型設備及家電應用的小型圓筒形產(chǎn)品。

    市場前景廣闊

    •鋰離子電容器過高的價格阻礙了應用普及，有必要降低價格。
    •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、太陽能發(fā)電等自然能源發(fā)電中的發(fā)電量均衡化設備等。

    雖然鋰離子電容器憑借其小型化優(yōu)勢而在附加值上有一定吸引力，但一方面其略顯過高的價格阻礙了應用普及，在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(chǎn)品———雙電層電容器的價格正在不斷下降。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約為5日元/F，要想達到與雙電層電容器相當?shù)膬r格水平，還需要一段時間。不過，各廠商均認為，只要正式進入量產(chǎn)，其價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。看來，兩者之間暫時還會存在差距。

    在LIC市場方面，日本國內(nèi)有8家廠商計劃參與，預計今后量產(chǎn)體制將進一步完善。歐洲汽車廠商也在積極采取措施，預計需求可在2012年～2013年度釋放。不過，矢野經(jīng)濟分析認為，無論是LIC還是原來的雙電層電容器，其用途特性及定價今后都將接受考驗。

    此外，專家還預測，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、太陽能發(fā)電等自然能源發(fā)電中的發(fā)電量均衡化設備等，瞬間電壓下降補償裝置、不停電電源裝置(UPS)以及鐵路再生能源的儲存等用途也值得期待，同時其也可用作各種應急電源以及小型便攜設備用電源。

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