锂离子电容器 替代效应显现 产业化启动在即

编者点评：电能储存是世界级的难题，尤其在新能源发展时代，然而有关此类的文献报道不多见，本文是个范例，希望能引起大家的关心。

    锂离子电容器六大趋势

    锂离子电容器作为一种新型高端电源元件，虽然面世时间不长，但发展势头迅猛，应用领域正在拓展，市场需求不断增长。其发展趋势主要表现在以下几个方面：

    1.锂离子电容器是双电层电容器的衍生品，性能更加优越，未来将与超级电容器形成竞争替代关系，前景无限光明。

    2.锂离子电容器的研发主要集中在国外尤其是日本，并形成了几家有实力进行产业化的厂商，应用市场将首先在国外启动。

    3.中国的锂离子电容器整体研发比较滞后，参与研发单位少，成果用于产业化的路途遥远。而正是由于研发单位少、关注度低，抢先起步者才更有机会。如果国内企业能将现有国内外成熟技术成果引进并进行产业化，将取得先发优势。

    4.双电层电容器目前在国内是作为新型储能装置出现的，锂离子电容器要想在短期内将其替换不太现实。

    5.锂离子电容器应用领域广泛，特别是在新兴能源领域如风力发电、太阳能路灯、电动汽车等方面。由于锂离子电容器本身的环保特征，若能与这些产业配套结合，将形成我国绿色能源的有效载体。

    6.根据超级电容器的发展进程，预计锂离子电容器在国际市场的产业化启动在2011年，国内市场启动要滞后3-5年。

    锂离子电容器(LIC)是一种在新世纪推出的能量密度大大超过双电层电容器(EDLC)的新型电源元件，具有广阔的发展前景。锂离子电容器在设计上采用了双电层电容器的原理，在构造上采用了锂离子充电电池(LIB)的负极材料与双电层电容器的正极材料的组合，同时又在负极添加了锂离子，从而大大提高了电容器的能量密度。全球锂离子电容器的研制工作始于21世纪初，2005年实现产品化，2008年进入量产化，旭化成电子、ACT、NEC、JMEnergy、太阳诱电等多家公司都在开发锂离子电容器产品。预计2013年可形成规模化，2020年可普及应用。

    逐步走向实用

    •预计2010年～2011年锂离子电容器可正式产业化。
    •锂离子电容器正在一些特殊领域如风力发电、路灯电池以及发电和工业设备领域逐步取代双电层电容器。

    据市场调研公司分析，目前世界超级电容器的市场规模约为30亿元。而锂离子电容器作为一种新型超级电容器，预计2010年～2011年可正式产业化，2020年其市场规模将可达到6亿元，届时年出货量将达4000万个单元。

    锂离子电容器正在一些特殊领域逐步取代双电层电容器：一是在风力发电领域。日本ZEPHYR公司在福岛县沿海的海洋天然气田设备(钻井平台)所使用的21台小型风力发电设备中均配置了锂离子电容器模块,运行状况显示应用效果良好。电容器模块被设置于风车和逆变器之间，当风力逐渐变大时，它能吸收发电量，起到缓冲存储器的作用；当发电突然停止时，则可以利用电容器中储存的电力，平稳地向逆变器供电。二是在路灯电池领域。L-Kougen公司开发出结合了LED照明灯、太阳电池板和锂离子电容器的路灯。公司试制品在日本宫崎县进行了实验，结果表明，此路灯不但长期无须维护，而且重量较轻，因此能够方便地安装在现有的照明灯具上。三是在发电和工业设备领域。各锂离子电容器厂商都计划在不间断电源系统(UPS)、建设工程电梯等应用中将锂离子电容器用作峰值电流辅助设备和再生电源的蓄电器。如果使用电容器辅助峰值电流，就可以通过主电源的小容量化实现整体系统的小型化，从而使锂离子电容器可在工程机械和工业机器人中用作辅助电源。另外还在考虑将锂离子电容器用作汽车及电子控制设备的备用电源。

    新产品不断推出

    •复合锂离子电容器与双电层电容器相比实现了约3倍的能量密度。
    •新型混合型水系锂离子电容器可望作为燃料电池汽车最合适的辅助电源、短距离电动汽车的动力电源。

    随着锂离子电容器制造技术的不断改进，具有新功能和新特性的锂离子电容器不断涌现。

    一、快速充电锂离子电容器。

    日本太阳诱电公司开发的新型锂离子电容器，只需30秒钟就能完成充电，它迅速就能充满电的优点使得其在很多领域具有较大的应用潜力。比如，30秒就能充满电的锂离子电容器可驱动电动剃须刀工作约5分钟，缓解上班族的燃眉之急。

    目前，锂离子电容器主要用作各种小型玩具和计测仪器的电源，也可以作为蓄电源与太阳能电池或发电机配合使用。人们日常的运动可以引起锂离子在锂离子电容器正负极之间运动，从而使这种锂离子电容器不断地充电和放电。将来如果音乐播放器用上这种锂离子电容器，人们就可以一边锻炼一边听音乐，而不需要其他电源。

    二、耐高温锂离子电容器。

    日本FDK公司在2007年4月展出了正在开发的锂离子电容器“EneCapTen”。FDK此次开发的电容器的特点是高温负荷特性出色、自放电少。在高温负荷特性方面，通过将60℃环境下的最大电压设定为3.6V，即使超过4000小时，容量也几乎不会下降。在自放电方面，改善了自放电特性，即使超过4000小时，电压也几乎不会下降，这在此前的双电层电容器中很难实现。

    三、复合锂离子电容器。

    日本东京农工大学研究生院于2009年3月宣布，开发出了采用碳纳米纤维(CNF)与LTO复合而成的负极锂离子电容器，与以往采用活性炭的双电层电容器相比。实现了约3倍的能量密度。它的最大特点是虽然采用含有率高达80%～85%的LTO，仍确保了电子的导电通路。因此，即使在高倍率下放电，电容维持率仍相当高。

    四、高比能量、大功率、长寿命、低成本新型混合型水系锂离子电容器。

    复旦大学发明了一种新型的水系“摇椅式”混合电容器体系，负极采用活性炭，正极采用尖晶石型锰酸锂(现在动力锂离子电池用正极材料)和水溶液电解质。其具有高比能量、大功率、长寿命、低成本和高安全性的特点，综合性能超过现有任何一种电容器，包括AC/Ni(OH)2体系。由于其生产工艺基本与AC/Ni(OH)2相同，而且采用低成本的锰酸锂，因此将大大降低生产成本，带来巨大的经济效益。另外，由于它可望作为燃料电池汽车最合适的辅助电源、短距离电动汽车的动力电源和与太阳能电池组成混合型贮能体系直接利用太阳光自然能源等，因而具有广阔的应用前景。

    五、高能量密度、大容量、小型化锂离子电容器。

    在电容器和锂离子充电电池市场上占优势的日本企业，在锂离子电容器的开发方面也领先业界。JMEnergy公司率先建造了专门的工厂，于2008年底已开始以每月30万个单元的产能进行商业化生产。同时，日本ACT公司也推出能量密度高于40Wh/L的Premlis产品，已用作不间断电源系统和发电设备中的辅助蓄电装置。日本NEC东金公司发布了静电容量达1000F的试制品。日本FDK公司则致力于开发可消除单元偏差的模块控制电路，以延长使用寿命。日立化成公司开发出静电容量达900F、直径为40mm的大型圆筒形单元，适合汽车及工业应用。昭荣电子公司则在开发面向小型设备及家电应用的小型圆筒形产品。

    市场前景广阔

    •锂离子电容器过高的价格阻碍了应用普及，有必要降低价格。
    •大容量电容器将大量用作汽车中伴随电子化而产生的辅助及备用电源、太阳能发电等自然能源发电中的发电量均衡化设备等。

    虽然锂离子电容器凭借其小型化优势而在附加值上有一定吸引力，但一方面其略显过高的价格阻碍了应用普及，在整体市场容量有限时，尤其有必要降低价格;另一方面，其竞争产品———双电层电容器的价格正在不断下降。据调查，按双电层电容器的静电容量计算，目前其价格为3.3日元/F，预计2020年可降到1.24日元/F。而目前锂离子电容器的价格约为5日元/F，要想达到与双电层电容器相当的价格水平，还需要一段时间。不过，各厂商均认为，只要正式进入量产，其价格即可与双电层电容器持平。

    在量产中，为了确保电池品质的稳定，材料十分重要。在这一方面，双电层电容器厂商也已进行了颇为艰苦的工作，锂离子电容器也非一朝一夕就能赶上。看来，两者之间暂时还会存在差距。

    在LIC市场方面，日本国内有8家厂商计划参与，预计今后量产体制将进一步完善。欧洲汽车厂商也在积极采取措施，预计需求可在2012年～2013年度释放。不过，矢野经济分析认为，无论是LIC还是原来的双电层电容器，其用途特性及定价今后都将接受考验。

    此外，专家还预测，大容量电容器将大量用作汽车中伴随电子化而产生的辅助及备用电源、太阳能发电等自然能源发电中的发电量均衡化设备等，瞬间电压下降补偿装置、不停电电源装置(UPS)以及铁路再生能源的储存等用途也值得期待，同时其也可用作各种应急电源以及小型便携设备用电源。

    由于LIC的再利用特性良好，因此减少了更换和维修的麻烦，有望应用于室外用再生性能源蓄电系统。