（一）高電壓、大容量、安全性高

　　FDK開發出了輸出功率高、充放電循環特性出色的鋰離子電容器。現已開始用于高電壓暫降補償裝置和太陽能發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電和風力發電等自然能源。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不穩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，但因用途的不同，LIB的輸出特性和充放電循環壽命（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點

　　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生短路，短路導致的發熱會使鋰氧化物分解，并可進一步發展為單元整體的熱分解，從而導致嚴重發熱。

　　而LIC的正極采用活性炭，雖然發生內部短路時會與負極發生反應，但那之后正極與電解液不會發生反應，從原理上可以說是安全的。

　　LIC即使發生內部短路，正極與電解液也不會發生反應。而LIB的正極會與電解液發生反應，導致構成材料發生熱分解，從而出現嚴重的發熱現象。

　　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，對環境的負荷較小。

　　LIB為減輕劣化以實現長壽命，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，或者環境溫度越高，越容易發生氧化分解。因此，在環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

　　通過制成模塊來削減成本

　　③的低價位對擴大市場很重要。不過，不僅要求降低蓄電元器件的價格，還應該綜合考慮蓄電系統的設置環境和壽命等因素，以降低系統整體的成本。

　　大型蓄電元器件并不是只要便宜就好的產品，其長期可靠性非常重要，一旦發生問題就會失去市場的信賴，最終會造成巨大損失。

　　在實際使用條件下，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，因此必須實現模塊的低成本化。

　　LIC可由以下3點來削減模塊成本：①單元單體的電壓較高，可減少單元數量；②高溫耐久性出色，設置條件比較寬松；③可削減管理成本。

　　關于①，制成既定電壓的模塊時，單元電壓越高，使用的單元數量越少。例如，電壓為300V時，需要120個EDLC的2.5V單元，而使用LIC的3.8V單元只需80個即可。

　　由于②的特性，可在比較廣泛的溫度條件下使用。像LIB那樣，需要進行非常嚴密的溫度管理時，則設置場所會受限。但如果高溫耐久性出色，可放寬對溫度環境的限制，因此設置場所的自由度較高，能為削減成本做出貢獻。

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

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

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

　　電力再生市場占LIC的一大半市場

　　以上介紹了LIC的一般特征，下面將介紹我們開發的LIC——EneCapTen的特征（圖4）。EneCapTen的單元采用重視散熱性的層壓構造，可進行大電力的充放電。壽命極長，達到10萬次以上。另外，考慮到環境負荷，沒有使用鉛等重金屬。

　　單元采用層壓構造（a）。45V模塊由12個單元構成（b）。

　　模塊將根據用戶的性能參數設計。此外，表2所示的通用模塊現已上市，用于混合動力車的4000F單元現正在開發中。

　　目前，LIC的主要用途有以下四方面：①瞬低補償裝置和UPS（不間斷電源）等備用（Backup）市場；②混合動力車、起重機及建筑機械等電力再生市場；③太陽能發電和風力發電等負荷平均化市場；④混合動力車和復印機等電力輔助市場。

　　其中，市場規模最大的是電力再生市場，估計將占一半以上。不過，預計今后隨著智能電網領域的擴大，太陽能發電和風力發電等負荷平均化用途也將形成一個巨大的市場。

　　作為瞬低補償裝置

　　我們開發的LIC已經在瞬低補償裝置和太陽能發電負荷平均化等領域得到了采用。例如，瞬低補償裝置不同于可供應5分鐘以上電力的UPS，可針對在1分鐘以內的短時間內發生的電力下降供給電力。　　EDLC由于容量較小，最多只能補償雷電造成的數ms左右的瞬時電壓下降。而LIC的容量比較大，可用于電力公司自動供電導致的停電以及從常用線路切換為備用線路時的停電等數秒左右的電壓下降。

　　瞬低補償裝置并非設置在每臺設備上，而是通過統一補償整個工廠，從而可降低管理成本。瞬低補償裝置目前仍以鉛蓄電池為主流，但鉛蓄電池的漏電流大，需要花費成為來維持電壓，因此今后有望被LIC取代。

　　正在海島上做驗證試驗

　　作為太陽能發電負荷平均化的應用事例，在日本經濟產業省的“平成21年度海島獨立型系統新能源導入驗證事業”中，沖繩縣的與那國島（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置了230kW的太陽能發電設備，在實施使用LIC的負荷平均化驗證試驗。

　　海島上存在的問題有用柴油發動機發電的發電成本高和需要為減輕環境負荷而削減CO2排放量等。作為對策，通過導入太陽能發電和風力發電，在減少柴油發動機發電用燃料的運輸量的同時，還可削減CO2排放量。另外，由于海島上使用的是獨立的小規模系統，可作為微型智能電網驗證，因此已經開始了驗證試驗。

　　與鉛蓄電池組合使用

　　我們認為，包括怠速停止系統（ISS）在內的混合動力車市場今后非常有潛力。電動汽車和插電式混合動力車等需要一定能量容量的汽車無疑最適合使用LIB。然而，對混合動力車而言，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可發揮兩個作用：①在發動機啟動時向啟動器供電；②在發動機停止時及發電停止時供電。

　　關于①向啟動器供電，采用LIC可代替鉛蓄電池供給大電力。鉛蓄電池如果反復以大電力放電，會加速劣化。因此，通過將LIC與鉛蓄電池并聯，從低電阻LIC中釋放大電力，可防止鉛蓄電池因發生大的輸出變動而劣化。

　　在鉛蓄電池上并聯我們的LIC時的電流和電壓變化如圖6所示。試驗條件參考了混合動力車的實車行駛模擬模式。從結果可知，較大電流的變動LIC會予應對，鉛蓄電池不會發生大變動。

　　通過并聯鉛蓄電池和低電阻LIC，鉛蓄電池不會發生較大輸出變動，因而可防止劣化。

　　另外，②的發動機停止時和發電停止時向車載電裝品供電很重要。汽車一般以發動機的皮帶驅動發電機轉動獲得能量，因此發電機直接與燃效相關。所以，采用使發電機脫離動力源的構造，可實現具有出色燃效的車輛。

　　不過，即使發電機脫離動力源，助力方向盤等電裝品也需要較大的電力。因此認為，不僅是鉛蓄電池，還要追加LIC，方可實現大電力的供給。

　　最適合用于混合動力車

　　我們還進一步將LIC用于混合動力車作為了目標。此前由于EDLC容量不足，混合動力車主要采用鎳氫充電電池，但LIC的能量密度是EDLC的4倍，因此認為可以用于混合動力車。

　　LIC的優點如上文所述，是可大幅擴大充放電深度。鎳氫充電電池和LIB如果擴大充放電深度會導致劣化，因此其充放電深度一直在40％左右。

　　也就是說，容量實際上只利用了40％。如此看來，用容量雖然小，但能以100％的深度充放電的LIC構成模塊，也可實現不遜于充電電池的外形尺寸和重量。

　　在很多方面具有優勢的LIC

　　圖7是面向混合動力車試制的模塊。模塊的外形尺寸為400mm×400mm×90mm。容量為240Wh，工作電壓為144～72V。該模塊可設置在車輛前座下方，用一個模塊能滿足輔助發動機驅動的弱混合動力車，用兩個模塊可支持僅靠馬達行駛的強混合動力車。

　　面向混合動力車開發的模塊，容量為240Wh，其外形可供設置在前座下方。

　　表5是實際使用的混合動力車模塊與用我們的LIC構成的模塊的比較。若A～C公司的混合動力車的充放電深度為40％左右，則利用我們開發的模塊就能充分確保相同的性能。

　　而且，如果實際容量相同，LIC在壽命、充電狀態管理、安全性、設置自由度以及系統小型化等上具有優勢。壽命、充電狀態管理和安全性優勢基于前述的LIC特征。而關于設置自由度，因LIC耐高溫，所以設置場所的限制小。另外，由于具備耐高溫的特征，無需采用水冷等需要嚴格溫度管理的冷卻方式，因此有助于實現系統的小型化。

　　高容量化和低溫特性的改善

　　我們認為，今后隨汽車的電動化的一步步推進，蓄電元器件會在混合動力車等高輸出用途和電動汽車等高容量用途上發展，特別是高輸出用途的市場會擴大。

　　雖然還未被充分認識到，但我覺得對蓄電元器件而言，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突然無法使用的情況。為避免陷入這種事態，需要高精確地管理蓄電元器件。而充放電特性穩定、充放電曲線不會隨著不同條件發生變化的LIC可進行精細的管理，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。除了混合動力車以外，還能用于電動助力方向盤及電動汽車空調等多種用途。

　　除了混合動力車外，LIC模塊還可利用于多種用途。圖由FDK根據日本電氣學會“汽車電源的42V化技術”制作。

　　作為對今后的單元的要求，我們計劃提高容量和改善低溫特性。提高容量方面，計劃開發在保持高輸出的同時，具備5000F以上靜電容量的單元，以實現模塊的小型化。

　　改善低溫特性方面，將開發在-40℃的低溫下也能供電的單元。不過，在低溫下的使用情況只有最初啟動時的較短時間，考慮到混合動力車為開啟車內暖氣需要啟動發動機，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系。