【技術講座】混合動力車用鋰離子電容器的開發(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（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（圖1）。
圖1：正極與電解液不發生反應的LIC
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（圖2）。（未完待續 特約撰稿人：鈴木 靖生，FDK電容器業務推進室 室長）
圖2：不容易發生氧化分解的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。
