【技術講座】混合動力車用鋰離子電容器的開發(fā)(一)：高電壓、大容量、安全性高
FDK開發(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?，F(xiàn)已開始用于高電壓暫降補償裝置和太陽能發(fā)電的負荷平均化等領域，此外，其在混合動力車等需要高輸出功率的汽車領域的應用也有進展。本文將由FDK介紹鋰離子電容器的特性以及面向混合動力車等采取的舉措。
近年來，為應對化石燃料枯竭和防止地球變暖，人們采取了各種對策。針對化石燃料問題，積極導入了太陽能發(fā)電和風力發(fā)電等自然能源。在防止地球變暖方面，開始針對CO2排量高的汽車實施電動化及馬達輔助駕駛等減排對策。
但這些對策導致電力系統(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）為中心推進開發(fā)，但因用途的不同，LIB的輸出特性和充放電循環(huán)壽命（以下簡稱壽命）存在極限。我們面向LIB難以支持的用途，開發(fā)出了高輸出長壽命的鋰離子電容器（LIC）“EneCapTen”。本文將介紹LIC面向今后有望增長的市場——混合動力車市場的應用方案。
高電壓大容量LIC
LIC是正極采用活性炭、負極采用碳材料、電解液采用鋰離子有機物（鹽：LiPF6，溶劑：PCEC）的電容器。正極通過雙電層的效果蓄電。負極與LIB一樣，由鋰離子的氧化還原反應而蓄電。
通過添加鋰離子，LIC不但電壓升高至約4V，還提高了負極存儲的靜電容量，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（表1）。
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。此外，還具有高溫特性出色以及自放電比EDLC小的兩大特點。
正極不同，安全性較高
目前，蓄電用途主要的要求有三點：①安全性、②長壽命、③低價位。其中①的安全性是最重要的要素。蓄電元器件是用來儲存能源的，如果不能穩(wěn)定儲存，則隨著能量密度的升高，元器件會變得非常危險。
目前為提高安全性，對LIB采取為隔膜涂布絕緣物等種種措施，但從本質上來說，蓄電原理本身安全是最理想的。
LIB與LIC的不同點在于正極。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，如果單元內部因某種原因發(fā)生短路，短路導致的發(fā)熱會使鋰氧化物分解，并可進一步發(fā)展為單元整體的熱分解，從而導致嚴重發(fā)熱。
而LIC的正極采用活性炭，雖然發(fā)生內部短路時會與負極發(fā)生反應，但那之后正極與電解液不會發(fā)生反應，從原理上可以說是安全的（圖1）。
圖1：正極與電解液不發(fā)生反應的LIC
LIC即使發(fā)生內部短路，正極與電解液也不會發(fā)生反應。而LIB的正極會與電解液發(fā)生反應，導致構成材料發(fā)生熱分解，從而出現(xiàn)嚴重的發(fā)熱現(xiàn)象。
高溫耐久性出色
關于②長壽命，蓄電元器件由于價格比較高，使用時間越長，越能降低產品生命周期成本。而且，如果壽命長，還能降低更換頻率，減少廢棄物等，對環(huán)境的負荷較小。
LIB為減輕劣化以實現(xiàn)長壽命，縮窄了充放電范圍（充放電深度），但這樣實質上可利用的容量就減少了。而原本是希望擴大充放電深度也能實現(xiàn)長壽命的。
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壽命的，但僅憑這一點很難在實際使用條件下延長壽命。
蓄電元器件存在的弱點是溫度會上升。反復充放電時，內部電阻會導致溫度上升，這會大大影響其壽命。因此，高溫耐久性是其必要條件。
高溫導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)境溫度較高的場所使用時，需要降低正極的電位。但EDLC如果降低正極電位，單元的電壓也會隨之下降，因而無法確保容量。
而LIC即使降低正極電位，單元自身的電壓也不會大幅下降，因此可確保容量。而且，因可在正極電位遠離氧化分解區(qū)域的位置使用，高溫耐久性非常出色（圖2）。（未完待續(xù) 特約撰稿人：鈴木 靖生，F(xiàn)DK電容器業(yè)務推進室 室長）
圖2：不容易發(fā)生氧化分解的LIC的正極電位
LIC可降低正極電位，因此能防止電解液的氧化分解。
