明电舍与住友电工推出汽车双电层电容器

2013-05-23 19:56:00来源: 互联网
    明电舍和住友电气工业正在共同开发以住友电工制造的铝多孔体“Aluminum Celmet”为电极材料的EDLC(双电层电容器,图1)。计划以EV(电动汽车)和HEV(混合动力车)等汽车领域为主要市场,从2013年度开始样品供货,2015年度开始量产。

    目前已实现12.4Wh/L的体积能量密度(图2),相当于目前正在销售的明电舍制造的积层型EDLC的约3.4倍。功率密度也得到提高,可在更大温度范围内工作。

    集电体采用Aluminum Celmet,活性物质采用CNT(碳纳米管),电解液采用阻燃性离子液体,提高了体积能量密度。而原来集电体采用铝箔,活性物质采用活性炭,电解液采用有机电解液,由此可见EDLC的三大要素均做了改进。另外,由于是电容器而非电池,因此准确地说应该是电极采用了碳材料而非活性物质,表面积相当于电容器的极板面积。

    活性物质和电解液虽然是重要的开发元素,但此次选择了市售产品。而无法从市售产品中选择的集电体则是与住友电工共同开发的。 从电位差看,使用活性炭的以往产品因为在理论上2.7V为安全值,所以只设定到了2.3V。超过这一数值时,活性炭就会产生CO、CO2等气体,导致电容器性能下降。而混合使用CNT与离子液体,便可消除这一担忧,电压可加大至3.5V。

    明电舍2006年推出了面向高电压及大电流用途的积层构造EDLC。由于是积层构造,因此较薄,空间效率高,可轻松获得高电压。而且,反复充放电的寿命也比当时已有的电容器长。主要用于以稳定供电为目的的瞬时电压降低补偿装置,以及铁道的再生电能存储装置等。为此采用了高可靠性设计,能量密度只有约3.6Wh/L(图3)。

    而要想将EDLC应用于汽车领域,即便是制动能量再生用途,能量密度也至少要有7Wh/L,而怠速停止用途则需要4~10Wh/L,动力辅助用途更是要达到10~20Wh/L,3.6Wh/L还不够。

    遇到“Celmet” 住友电工的“Celmet”是Ni(镍)或Ni-Cr(镍铬)合金的金属多孔体。由于孔隙率最高可达到98%,能够为电池中使用的活性物质提供出色的充填性、保持力和集电性,因此最近被广泛用于HEV用Ni-MH(镍氢)充电电池的正极集电体。

    住友电工2011年开发出了以铝为材料,并与Celmet采用同样工序制造多孔体的Aluminum Celmet。现已在大阪制作所建设了试产线,正在为实现量产进一步推进开发。 一直希望提高EDLC能量密度的明电舍与一直在开拓Aluminum Celmet用途的住友电工一拍即合。两公司2011年开始联手研发充分发挥Aluminum Celmet优点的EDLC。

    在研发中,双方以Aluminum Celmet为集电体,在Aluminum Celmet中填满了在离子液体中掺入CNT的物质。 从原来的Al箔集电板来看,活性物质离Al箔最远的程度甚至达到了Al箔间隔的一半距离。电流在活性物质中长距离流动,电阻损失必然会变大。而Celmet集电体不同,三维网眼构造的孔径只有0.5mm,因此离活性物质最远也只有0.25mm。

    随着活性物质到集电体的距离变短,内部电阻减小到了1/3。 使用Al箔时,提高放电电流,电阻造成的损失就会增大,导致容量下降。而使用Celmet时则不同,由于内部电阻较小,因此即使流过大电流,静电容量下降的情况也很少(图4)。

    而且,CNT与活性炭相比电子电导率较高,在外壁发生离子的吸/脱附,因此离子电阻较低。而活性炭是在封闭的孔而非贯通孔中吸/脱附离子,因此离子电阻较大。所以使用CNT的话,流过大电流时静电容量下降的情况同样很少(图5)。

图5:CNT与活性炭的放电率特性比较活性炭在放电电流提高时静电容量就会下降,而CNT不易下降。

    业内通常用纵轴为能量密度,横轴为输出功率密度的、称为“Ragone Plot”的图来表示电池及电容器的能力。通过在Ragone Plot上对EDLC使用CNT时与使用活性炭时做比较,可以看出CNT的输出功率密度高达约10倍,能量密度也高达数倍(图6)。

图6:Ragone Plot利用CNT的话,输出密度和能量密度均较利用活性炭时大幅提高。密度均为单位电极的活性物质的值

    另外,离子液体的温度特性也很出色。即使在-10℃下实施30A/g放电,放电容量也可确保达到25℃(1A/g放电)时的41%。低温下的特性对于各种用途,尤其是汽车用途来说尤为重要。而原来的有机电解液由于低温下的特性较差,因此不能在汽车上使用。

    而反过来看,也同样耐高温。在80℃下持续进行反复充放电试验后表明,即使反复充电超过5万次,静电容量也不会下降。 两公司今后还将继续推进共同研究,力争使体积能量密度超过目前的约5倍,达到20Wh/L。

关键字:住友  电工  推出

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0523/article_7204.html
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