混合动力车用锂离子电容器的开发(一)

2011-07-18 19:26:39来源: 技术在线

 

  FDK开发出了输出功率高、充放电循环特性出色的锂离子电容器。现已开始用于高电压暂降补偿装置和太阳能发电的负荷平均化等领域,此外,其在混合动力车等需要高输出功率的汽车领域的应用也有进展。本文将由FDK介绍锂离子电容器的特性以及面向混合动力车等采取的举措。

  近年来,为应对化石燃料枯竭和防止地球变暖,人们采取了各种对策。针对化石燃料问题,积极导入了太阳能发电和风力发电等自然能源。在防止地球变暖方面,开始针对CO2排量高的汽车实施电动化及马达辅助驾驶等减排对策。

  但这些对策导致电力系统不稳定和用电量增加等新课题浮出了水面。要解决这些课题,蓄电元器件必不可少。

  此前的蓄电元器件一直以锂离子充电电池(LIB)为中心推进开发,但因用途的不同,LIB的输出特性和充放电循环寿命(以下简称寿命)存在极限。我们面向LIB难以支持的用途,开发出了高输出长寿命的锂离子电容器(LIC)“EneCapTen”。本文将介绍LIC面向今后有望增长的市场——混合动力车市场的应用方案。

高电压大容量LIC

  LIC是正极采用活性炭、负极采用碳材料、电解液采用锂离子有机物(盐:LiPF6,溶剂:PCEC)的电容器。正极通过双电层的效果蓄电。负极与LIB一样,由锂离子的氧化还原反应而蓄电。

  通过添加锂离子,LIC不但电压升高至约4V,还提高了负极存储的静电容量,单元整体的静电容量可增至原双电层电容器(EDLC)的2倍左右。因此,LIC与EDLC相比具有高电压大容量的优点(表1)。

  例如,单位体积的能量密度为10~50Wh/L,较EDLC的2~8Wh/L的容量要大得多。

  虽然比LIB能量密度较低,但LIC的输出密度高、寿命长。此外,还具有高温特性出色以及自放电比EDLC小的两大特点。

正极不同,安全性较高

  目前,蓄电用途主要的要求有三点:①安全性、②长寿命、③低价位。其中①的安全性是最重要的要素。蓄电元器件是用来储存能源的,如果不能稳定储存,则随着能量密度的升高,元器件会变得非常危险。

  目前为提高安全性,对LIB采取为隔膜涂布绝缘物等种种措施,但从本质上来说,蓄电原理本身安全是最理想的。

  LIB与LIC的不同点在于正极。LIB的正极采用锂氧化物,而LIC采用活性炭。锂氧化物不但含有大量的锂,还含有可起火的重要因素——氧。

  因此,如果单元内部因某种原因发生短路,短路导致的发热会使锂氧化物分解,并可进一步发展为单元整体的热分解,从而导致严重发热。

  而LIC的正极采用活性炭,虽然发生内部短路时会与负极发生反应,但那之后正极与电解液不会发生反应,从原理上可以说是安全的(图1)。

 

图1:正极与电解液不发生反应的LIC
LIC即使发生内部短路,正极与电解液也不会发生反应。而LIB的正极会与电解液发生反应,导致构成材料发生热分解,从而出现严重的发热现象。

高温耐久性出色

  关于②长寿命,蓄电元器件由于价格比较高,使用时间越长,越能降低产品生命周期成本。而且,如果寿命长,还能降低更换频率,减少废弃物等,对环境的负荷较小。

  LIB为减轻劣化以实现长寿命,缩窄了充放电范围(充放电深度),但这样实质上可利用的容量就减少了。而原本是希望扩大充放电深度也能实现长寿命的。

  EDLC的充放电原理,是单纯以吸附或脱却电解液中的离子而具有长寿命的,但仅凭这一点很难在实际使用条件下延长寿命。

  蓄电元器件存在的弱点是温度会上升。反复充放电时,内部电阻会导致温度上升,这会大大影响其寿命。因此,高温耐久性是其必要条件。

  高温导致的劣化主要是由正极电解液的氧化分解造成的。正极的电位越高,或者环境温度越高,越容易发生氧化分解。因此,在环境温度较高的场所使用时,需要降低正极的电位。但EDLC如果降低正极电位,单元的电压也会随之下降,因而无法确保容量。

  而LIC即使降低正极电位,单元自身的电压也不会大幅下降,因此可确保容量。而且,因可在正极电位远离氧化分解区域的位置使用,高温耐久性非常出色(图2)。(未完待续 特约撰稿人:铃木 靖生,FDK电容器业务推进室 室长)

 

图2:不容易发生氧化分解的LIC的正极电位
LIC可降低正极电位,因此能防止电解液的氧化分解。

 

关键字:混合动力车  锂离子电容器

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0718/article_4033.html
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