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(lèi)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)最合適的輔助電源、短距離電動(dòng)汽車(chē)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(chē)最合適的輔助電源、短距離電動(dòng)汽車(chē)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(zhuān)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(chē)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(chē)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(chē)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(zhuān)家還預(yù)測(cè)，大容量電容器將大量用作汽車(chē)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)。