（一）高電壓、大容量、安全性高

　　FDK開(kāi)發(fā)出了輸出功率高、充放電循環(huán)特性出色的鋰離子電容器。現(xiàn)已開(kāi)始用于高電壓暫降補(bǔ)償裝置和太陽(yáng)能發(fā)電的負(fù)荷平均化等領(lǐng)域，此外，其在混合動(dòng)力車等需要高輸出功率的汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也有進(jìn)展。本文將由FDK介紹鋰離子電容器的特性以及面向混合動(dòng)力車等采取的舉措。

　　近年來(lái)，為應(yīng)對(duì)化石燃料枯竭和防止地球變暖，人們采取了各種對(duì)策。針對(duì)化石燃料問(wèn)題，積極導(dǎo)入了太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等自然能源。在防止地球變暖方面，開(kāi)始針對(duì)CO2排量高的汽車實(shí)施電動(dòng)化及馬達(dá)輔助駕駛等減排對(duì)策。

　　但這些對(duì)策導(dǎo)致電力系統(tǒng)不穩(wěn)定和用電量增加等新課題浮出了水面。要解決這些課題，蓄電元器件必不可少。

　　此前的蓄電元器件一直以鋰離子充電電池（LIB）為中心推進(jìn)開(kāi)發(fā)，但因用途的不同，LIB的輸出特性和充放電循環(huán)壽命（以下簡(jiǎn)稱壽命）存在極限。我們面向LIB難以支持的用途，開(kāi)發(fā)出了高輸出長(zhǎng)壽命的鋰離子電容器（LIC）“EneCapTen”。本文將介紹LIC面向今后有望增長(zhǎng)的市場(chǎng)——混合動(dòng)力車市場(chǎng)的應(yīng)用方案。

　　高電壓大容量LIC

　　LIC是正極采用活性炭、負(fù)極采用碳材料、電解液采用鋰離子有機(jī)物（鹽：LiPF6，溶劑：PCEC）的電容器。正極通過(guò)雙電層的效果蓄電。負(fù)極與LIB一樣，由鋰離子的氧化還原反應(yīng)而蓄電。

　　通過(guò)添加鋰離子，LIC不但電壓升高至約4V，還提高了負(fù)極存儲(chǔ)的靜電容量，單元整體的靜電容量可增至原雙電層電容器（EDLC）的2倍左右。因此，LIC與EDLC相比具有高電壓大容量的優(yōu)點(diǎn)

　　例如，單位體積的能量密度為10～50Wh/L，較EDLC的2～8Wh/L的容量要大得多。

　　雖然比LIB能量密度較低，但LIC的輸出密度高、壽命長(zhǎng)。此外，還具有高溫特性出色以及自放電比EDLC小的兩大特點(diǎn)。

　　正極不同，安全性較高

　　目前，蓄電用途主要的要求有三點(diǎn)：①安全性、②長(zhǎng)壽命、③低價(jià)位。其中①的安全性是最重要的要素。蓄電元器件是用來(lái)儲(chǔ)存能源的，如果不能穩(wěn)定儲(chǔ)存，則隨著能量密度的升高，元器件會(huì)變得非常危險(xiǎn)。

　　目前為提高安全性，對(duì)LIB采取為隔膜涂布絕緣物等種種措施，但從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，蓄電原理本身安全是最理想的。

　　LIB與LIC的不同點(diǎn)在于正極。LIB的正極采用鋰氧化物，而LIC采用活性炭。鋰氧化物不但含有大量的鋰，還含有可起火的重要因素——氧。

　　因此，如果單元內(nèi)部因某種原因發(fā)生短路，短路導(dǎo)致的發(fā)熱會(huì)使鋰氧化物分解，并可進(jìn)一步發(fā)展為單元整體的熱分解，從而導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)熱。

　　而LIC的正極采用活性炭，雖然發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)會(huì)與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，但那之后正極與電解液不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，從原理上可以說(shuō)是安全的。

　　LIC即使發(fā)生內(nèi)部短路，正極與電解液也不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。而LIB的正極會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致構(gòu)成材料發(fā)生熱分解，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象。

　　高溫耐久性出色

　　關(guān)于②長(zhǎng)壽命，蓄電元器件由于價(jià)格比較高，使用時(shí)間越長(zhǎng)，越能降低產(chǎn)品生命周期成本。而且，如果壽命長(zhǎng)，還能降低更換頻率，減少?gòu)U棄物等，對(duì)環(huán)境的負(fù)荷較小。

　　LIB為減輕劣化以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命，縮窄了充放電范圍（充放電深度），但這樣實(shí)質(zhì)上可利用的容量就減少了。而原本是希望擴(kuò)大充放電深度也能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的。

　　EDLC的充放電原理，是單純以吸附或脫卻電解液中的離子而具有長(zhǎng)壽命的，但僅憑這一點(diǎn)很難在實(shí)際使用條件下延長(zhǎng)壽命。

　　蓄電元器件存在的弱點(diǎn)是溫度會(huì)上升。反復(fù)充放電時(shí)，內(nèi)部電阻會(huì)導(dǎo)致溫度上升，這會(huì)大大影響其壽命。因此，高溫耐久性是其必要條件。

　　高溫導(dǎo)致的劣化主要是由正極電解液的氧化分解造成的。正極的電位越高，或者環(huán)境溫度越高，越容易發(fā)生氧化分解。因此，在環(huán)境溫度較高的場(chǎng)所使用時(shí)，需要降低正極的電位。但EDLC如果降低正極電位，單元的電壓也會(huì)隨之下降，因而無(wú)法確保容量。

　　而LIC即使降低正極電位，單元自身的電壓也不會(huì)大幅下降，因此可確保容量。而且，因可在正極電位遠(yuǎn)離氧化分解區(qū)域的位置使用，高溫耐久性非常出色。

　　（二）制成模塊和鉛蓄電池組合使用

　　通過(guò)制成模塊來(lái)削減成本

　　③的低價(jià)位對(duì)擴(kuò)大市場(chǎng)很重要。不過(guò)，不僅要求降低蓄電元器件的價(jià)格，還應(yīng)該綜合考慮蓄電系統(tǒng)的設(shè)置環(huán)境和壽命等因素，以降低系統(tǒng)整體的成本。

　　大型蓄電元器件并不是只要便宜就好的產(chǎn)品，其長(zhǎng)期可靠性非常重要，一旦發(fā)生問(wèn)題就會(huì)失去市場(chǎng)的信賴，最終會(huì)造成巨大損失。

　　在實(shí)際使用條件下，不是單元單體使用，而是需要制成模塊，以確保既定的電壓或輸出功率，因此必須實(shí)現(xiàn)模塊的低成本化。

　　LIC可由以下3點(diǎn)來(lái)削減模塊成本：①單元單體的電壓較高，可減少單元數(shù)量；②高溫耐久性出色，設(shè)置條件比較寬松；③可削減管理成本。

　　關(guān)于①，制成既定電壓的模塊時(shí)，單元電壓越高，使用的單元數(shù)量越少。例如，電壓為300V時(shí)，需要120個(gè)EDLC的2.5V單元，而使用LIC的3.8V單元只需80個(gè)即可。

　　由于②的特性，可在比較廣泛的溫度條件下使用。像LIB那樣，需要進(jìn)行非常嚴(yán)密的溫度管理時(shí)，則設(shè)置場(chǎng)所會(huì)受限。但如果高溫耐久性出色，可放寬對(duì)溫度環(huán)境的限制，因此設(shè)置場(chǎng)所的自由度較高，能為削減成本做出貢獻(xiàn)。

　　③的管理成本，是指蓄電元器件的管理系統(tǒng)“Battery Management System（BMS）”相關(guān)的成本。LIB等充電電池的充放電曲線會(huì)隨著電流值和溫度環(huán)境發(fā)生巨大變化，因此為管理充電狀態(tài)，BMS會(huì)花費(fèi)成本。

　　LIC如圖3所示，充放電曲線的斜率不會(huì)隨著電流值發(fā)生大幅變化。這種趨勢(shì)也不會(huì)隨溫度而變化，只需管理電壓就能掌握充電狀態(tài)，因此可降低BMS的成本。

　　LIC即使輸入輸出時(shí)的電流值發(fā)生大幅變化，其斜率也不會(huì)改變，因此可輕松管理單元的充電狀態(tài)。

　　電力再生市場(chǎng)占LIC的一大半市場(chǎng)

　　以上介紹了LIC的一般特征，下面將介紹我們開(kāi)發(fā)的LIC——EneCapTen的特征（圖4）。EneCapTen的單元采用重視散熱性的層壓構(gòu)造，可進(jìn)行大電力的充放電。壽命極長(zhǎng)，達(dá)到10萬(wàn)次以上。另外，考慮到環(huán)境負(fù)荷，沒(méi)有使用鉛等重金屬。

　　單元采用層壓構(gòu)造（a）。45V模塊由12個(gè)單元構(gòu)成（b）。

　　模塊將根據(jù)用戶的性能參數(shù)設(shè)計(jì)。此外，表2所示的通用模塊現(xiàn)已上市，用于混合動(dòng)力車的4000F單元現(xiàn)正在開(kāi)發(fā)中。

　　目前，LIC的主要用途有以下四方面：①瞬低補(bǔ)償裝置和UPS（不間斷電源）等備用（Backup）市場(chǎng)；②混合動(dòng)力車、起重機(jī)及建筑機(jī)械等電力再生市場(chǎng)；③太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等負(fù)荷平均化市場(chǎng)；④混合動(dòng)力車和復(fù)印機(jī)等電力輔助市場(chǎng)。

　　其中，市場(chǎng)規(guī)模最大的是電力再生市場(chǎng)，估計(jì)將占一半以上。不過(guò)，預(yù)計(jì)今后隨著智能電網(wǎng)領(lǐng)域的擴(kuò)大，太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等負(fù)荷平均化用途也將形成一個(gè)巨大的市場(chǎng)。

　　作為瞬低補(bǔ)償裝置

　　我們開(kāi)發(fā)的LIC已經(jīng)在瞬低補(bǔ)償裝置和太陽(yáng)能發(fā)電負(fù)荷平均化等領(lǐng)域得到了采用。例如，瞬低補(bǔ)償裝置不同于可供應(yīng)5分鐘以上電力的UPS，可針對(duì)在1分鐘以內(nèi)的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的電力下降供給電力。　　EDLC由于容量較小，最多只能補(bǔ)償雷電造成的數(shù)ms左右的瞬時(shí)電壓下降。而LIC的容量比較大，可用于電力公司自動(dòng)供電導(dǎo)致的停電以及從常用線路切換為備用線路時(shí)的停電等數(shù)秒左右的電壓下降。

　　瞬低補(bǔ)償裝置并非設(shè)置在每臺(tái)設(shè)備上，而是通過(guò)統(tǒng)一補(bǔ)償整個(gè)工廠，從而可降低管理成本。瞬低補(bǔ)償裝置目前仍以鉛蓄電池為主流，但鉛蓄電池的漏電流大，需要花費(fèi)成為來(lái)維持電壓，因此今后有望被LIC取代。

　　正在海島上做驗(yàn)證試驗(yàn)

　　作為太陽(yáng)能發(fā)電負(fù)荷平均化的應(yīng)用事例，在日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的“平成21年度海島獨(dú)立型系統(tǒng)新能源導(dǎo)入驗(yàn)證事業(yè)”中，沖繩縣的與那國(guó)島（150kW）、北大東島（90kW）和多良間島（230kW）采用了我們的LIC。

　　沖繩電力在多良間島設(shè)置了230kW的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，在實(shí)施使用LIC的負(fù)荷平均化驗(yàn)證試驗(yàn)。

　　海島上存在的問(wèn)題有用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電的發(fā)電成本高和需要為減輕環(huán)境負(fù)荷而削減CO2排放量等。作為對(duì)策，通過(guò)導(dǎo)入太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，在減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電用燃料的運(yùn)輸量的同時(shí)，還可削減CO2排放量。另外，由于海島上使用的是獨(dú)立的小規(guī)模系統(tǒng)，可作為微型智能電網(wǎng)驗(yàn)證，因此已經(jīng)開(kāi)始了驗(yàn)證試驗(yàn)。

　　與鉛蓄電池組合使用

　　我們認(rèn)為，包括怠速停止系統(tǒng)（ISS）在內(nèi)的混合動(dòng)力車市場(chǎng)今后非常有潛力。電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力車等需要一定能量容量的汽車無(wú)疑最適合使用LIB。然而，對(duì)混合動(dòng)力車而言，輸出功率、再生效率和壽命比能量容量更為重要，與LIB和鎳氫充電電池等充電電池相比，LIC更合適。

　　具體地，我們打算在配備ISS的車輛上將其與鉛蓄電池組合使用。ISS可發(fā)揮兩個(gè)作用：①在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)向啟動(dòng)器供電；②在發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)及發(fā)電停止時(shí)供電。

　　關(guān)于①向啟動(dòng)器供電，采用LIC可代替鉛蓄電池供給大電力。鉛蓄電池如果反復(fù)以大電力放電，會(huì)加速劣化。因此，通過(guò)將LIC與鉛蓄電池并聯(lián)，從低電阻LIC中釋放大電力，可防止鉛蓄電池因發(fā)生大的輸出變動(dòng)而劣化。

　　在鉛蓄電池上并聯(lián)我們的LIC時(shí)的電流和電壓變化如圖6所示。試驗(yàn)條件參考了混合動(dòng)力車的實(shí)車行駛模擬模式。從結(jié)果可知，較大電流的變動(dòng)LIC會(huì)予應(yīng)對(duì)，鉛蓄電池不會(huì)發(fā)生大變動(dòng)。

　　通過(guò)并聯(lián)鉛蓄電池和低電阻LIC，鉛蓄電池不會(huì)發(fā)生較大輸出變動(dòng)，因而可防止劣化。

　　另外，②的發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)和發(fā)電停止時(shí)向車載電裝品供電很重要。汽車一般以發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)獲得能量，因此發(fā)電機(jī)直接與燃效相關(guān)。所以，采用使發(fā)電機(jī)脫離動(dòng)力源的構(gòu)造，可實(shí)現(xiàn)具有出色燃效的車輛。

　　不過(guò)，即使發(fā)電機(jī)脫離動(dòng)力源，助力方向盤等電裝品也需要較大的電力。因此認(rèn)為，不僅是鉛蓄電池，還要追加LIC，方可實(shí)現(xiàn)大電力的供給。

　　最適合用于混合動(dòng)力車

　　我們還進(jìn)一步將LIC用于混合動(dòng)力車作為了目標(biāo)。此前由于EDLC容量不足，混合動(dòng)力車主要采用鎳氫充電電池，但LIC的能量密度是EDLC的4倍，因此認(rèn)為可以用于混合動(dòng)力車。

　　LIC的優(yōu)點(diǎn)如上文所述，是可大幅擴(kuò)大充放電深度。鎳氫充電電池和LIB如果擴(kuò)大充放電深度會(huì)導(dǎo)致劣化，因此其充放電深度一直在40％左右。

　　也就是說(shuō)，容量實(shí)際上只利用了40％。如此看來(lái)，用容量雖然小，但能以100％的深度充放電的LIC構(gòu)成模塊，也可實(shí)現(xiàn)不遜于充電電池的外形尺寸和重量。

　　在很多方面具有優(yōu)勢(shì)的LIC

　　圖7是面向混合動(dòng)力車試制的模塊。模塊的外形尺寸為400mm×400mm×90mm。容量為240Wh，工作電壓為144～72V。該模塊可設(shè)置在車輛前座下方，用一個(gè)模塊能滿足輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的弱混合動(dòng)力車，用兩個(gè)模塊可支持僅靠馬達(dá)行駛的強(qiáng)混合動(dòng)力車。

　　面向混合動(dòng)力車開(kāi)發(fā)的模塊，容量為240Wh，其外形可供設(shè)置在前座下方。

　　表5是實(shí)際使用的混合動(dòng)力車模塊與用我們的LIC構(gòu)成的模塊的比較。若A～C公司的混合動(dòng)力車的充放電深度為40％左右，則利用我們開(kāi)發(fā)的模塊就能充分確保相同的性能。

　　而且，如果實(shí)際容量相同，LIC在壽命、充電狀態(tài)管理、安全性、設(shè)置自由度以及系統(tǒng)小型化等上具有優(yōu)勢(shì)。壽命、充電狀態(tài)管理和安全性優(yōu)勢(shì)基于前述的LIC特征。而關(guān)于設(shè)置自由度，因LIC耐高溫，所以設(shè)置場(chǎng)所的限制小。另外，由于具備耐高溫的特征，無(wú)需采用水冷等需要嚴(yán)格溫度管理的冷卻方式，因此有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

　　高容量化和低溫特性的改善

　　我們認(rèn)為，今后隨汽車的電動(dòng)化的一步步推進(jìn)，蓄電元器件會(huì)在混合動(dòng)力車等高輸出用途和電動(dòng)汽車等高容量用途上發(fā)展，特別是高輸出用途的市場(chǎng)會(huì)擴(kuò)大。

　　雖然還未被充分認(rèn)識(shí)到，但我覺(jué)得對(duì)蓄電元器件而言，完善的壽命管理尤為重要。蓄電元器件最希望避免的是出現(xiàn)突然無(wú)法使用的情況。為避免陷入這種事態(tài)，需要高精確地管理蓄電元器件。而充放電特性穩(wěn)定、充放電曲線不會(huì)隨著不同條件發(fā)生變化的LIC可進(jìn)行精細(xì)的管理，因此可以稱得上是最佳蓄電元器件。

　　我們的模塊在汽車用途的使用范圍如圖8所示。除了混合動(dòng)力車以外，還能用于電動(dòng)助力方向盤及電動(dòng)汽車空調(diào)等多種用途。

　　除了混合動(dòng)力車外，LIC模塊還可利用于多種用途。圖由FDK根據(jù)日本電氣學(xué)會(huì)“汽車電源的42V化技術(shù)”制作。

　　作為對(duì)今后的單元的要求，我們計(jì)劃提高容量和改善低溫特性。提高容量方面，計(jì)劃開(kāi)發(fā)在保持高輸出的同時(shí)，具備5000F以上靜電容量的單元，以實(shí)現(xiàn)模塊的小型化。

　　改善低溫特性方面，將開(kāi)發(fā)在-40℃的低溫下也能供電的單元。不過(guò)，在低溫下的使用情況只有最初啟動(dòng)時(shí)的較短時(shí)間，考慮到混合動(dòng)力車為開(kāi)啟車內(nèi)暖氣需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，能在多大程度上改善低溫特性，可能還需要考慮與材料成本的關(guān)系。