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傳統(tǒng)的充電電池由于通過電解液與電極之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力，因此充電時(shí)需要花費(fèi)一定的時(shí)間。經(jīng)過多次充電和放電后，電解液逐漸分解、材料變質(zhì)，性能也隨之下降，用上幾年后大都需要更換。
與此相比，電容器不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，可以直接將電力貯存起來。不僅充電所需的時(shí)間非常短，還能在瞬間釋放出大量電流，輸出功率很大。由于充電和放電可反復(fù)進(jìn)行數(shù)十萬次以上，所以基本上無需更換，可以半永久性地使用。
但原有的電容器存在能量密度低的缺點(diǎn)，如果電流強(qiáng)的話不能長時(shí)間保持。因此，像原來鈕扣型電容器那樣的小型產(chǎn)品，只能作為電子設(shè)備內(nèi)存等部件的備用電源來使用。
近年來，能量密度得到提高的大容量電容器相繼問世，但尺寸也隨之增大。因此應(yīng)用范圍被局限于混合動(dòng)力卡車等對尺寸要求不太嚴(yán)格的產(chǎn)品。前面提到的演示活動(dòng)使用的電容器就屬于這一類，長寬都是20cm，厚度在5cm左右。
從近來的發(fā)展趨勢來看，電容器電池大幅度減小尺寸已經(jīng)指日可待。因?yàn)槟芰棵芏瓤赏岣叩脚c鎳氫充電電池相當(dāng)?shù)乃健８呻姵卮笮〉逆嚉潆姵禺a(chǎn)品已經(jīng)得到廣泛普及。也就是說，可快速充電、半永久性使用的充電電池也已經(jīng)有望將體積減小到只有干電池的大小。
直接將電力貯存起來
電雙層電容器的原理大致是這樣的：在施加電壓進(jìn)行充電時(shí)，從正極所使用的碳中釋放出帶負(fù)電的電子。失去電子的部分成為帶正電的空間(空穴)，因此可以吸引電解液中的陰離子。
電子通過集電極流向負(fù)極，與電解液中的陽離子相互吸引接合在一起。空穴與陰離子、電子與陽離子都持續(xù)保持著數(shù)個(gè)原子大小的距離(電雙層)。這就是電的貯存狀態(tài)，即使停止充電也不會發(fā)生變化。
當(dāng)電容器連接到電氣設(shè)備上供電時(shí)，電子就從負(fù)極返回正極，離子也離開電極。電子朝著與充電時(shí)完全相反的方向移動(dòng)并形成電流。由于不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以可在短時(shí)間內(nèi)完成充放電。
電容器電池的性能之所以能得到大幅度提高，原因就在于改進(jìn)了可有效發(fā)揮電容器性能的電路，以及電極所使用的碳素材料。這項(xiàng)開發(fā)工作一直是由動(dòng)力系統(tǒng)公司會長岡村迪夫主持進(jìn)行。岡村于1987年創(chuàng)立了岡村研究所(2004年11月與動(dòng)力系統(tǒng)公司合并)，從1992年開始研究如何將電雙層電容器應(yīng)用于電力的貯存。
為了有效發(fā)揮瞬間釋放出很大電流這一優(yōu)勢，當(dāng)時(shí)對如何減小電容器內(nèi)部的電阻進(jìn)行了認(rèn)真研究。因?yàn)樗麄兛紤]到，如果內(nèi)部電阻高的話將有更多的能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低充放電效率。但另一方面，減少內(nèi)部電阻的話又很難提高能量密度。
于是岡村等人著手開發(fā)優(yōu)先提高能量密度的碳素材料。盡管內(nèi)部電阻很高，但可以通過電路來抑制能量轉(zhuǎn)化為熱能。最終“將性能提高了20倍”。岡村將這種由新材料與電路組成的蓄電系統(tǒng)命名為“ECaSS”。
隨后又以岡村創(chuàng)立的研究所為中心，與20家希望將ECaSS投入實(shí)用的公司進(jìn)行了聯(lián)合開發(fā)。電雙層電容器的能量密度之所以能接近鎳氫電池，主要還是得益于這一過程中誕生的碳素材料。這是由岡村研究所與合作伙伴之一--物理化學(xué)儀器廠商日本電子共同開發(fā)出來的。
離子潛入碳素材料
電雙層電容器的電極原來使用的是碳經(jīng)過高溫處理后形成的活性炭。由于表面有無數(shù)的細(xì)小孔穴，所以作為電極使用的話增加了與離子相接觸的表面積，可以貯存更多的電量。但孔穴大小不規(guī)則則是存在的問題。孔穴太大的話難以充分發(fā)揮單位面積的效率，太小的話又和沒有孔穴一樣。
在研究增加活性碳接觸面積的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種特殊現(xiàn)象。如果將經(jīng)過更長時(shí)間高溫處理的碳材料作為電極的話，即使沒有細(xì)小的孔穴也能貯存比以前多出數(shù)倍的電量。
經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，離子在碳的內(nèi)部，打開一個(gè)與自身大小相符的納米(1納米＝10億分之1米)級的細(xì)小孔穴。根據(jù)這種現(xiàn)象特意制造出碳素材料，岡村將其命名為“納米門·碳”。
隨后岡村研究所與日本電子又各自繼續(xù)進(jìn)行研究，但率先發(fā)表成果的卻是日本電子。并實(shí)現(xiàn)了利用納米門·碳技術(shù)的獨(dú)家碳素材料，于2003年10月發(fā)表了能量密度大幅提高的電容器。
日本電子的電容器開發(fā)子公司高級電容器技術(shù)(ACT)公司經(jīng)營管理部長江口純一解釋說：“通過采用制造方法與分子結(jié)構(gòu)與原來完全不同的碳，使得單位面積的能量密度達(dá)到原來活性碳的10倍左右。”受這一消息的影響，日本電子的股價(jià)連續(xù)5天漲停。
動(dòng)力系統(tǒng)公司也開發(fā)利用納米門·碳技術(shù)的電容器，產(chǎn)品性能比原來有所提高。估計(jì)兩家公司都將在2005年就開始量產(chǎn)，日本電子的目標(biāo)是在2006年度達(dá)到50億日元的業(yè)務(wù)規(guī)模，而動(dòng)力系統(tǒng)則計(jì)劃將業(yè)務(wù)規(guī)模到2007年度提高到100億日元以上。岡村面露微笑地說：“現(xiàn)在終于渡過了試制階段，開始考慮商業(yè)銷售的問題了。”
但面臨最大的課題就是成本問題。兩家公司都認(rèn)為“可以通過量產(chǎn)大幅度降低成本”，但電容器內(nèi)部的單元至少目前的價(jià)格是平均每個(gè)數(shù)萬日元。也就是說，為了增加容量而將單元并排加工成箱形的話，價(jià)格將達(dá)到數(shù)十萬日元到數(shù)百萬日元。
搶占混合動(dòng)力車市場
因此各公司都考慮充分發(fā)揮輸出功率大的優(yōu)勢，希望能形成大批量生產(chǎn)，面向混合動(dòng)力車等進(jìn)行銷售。由于目前單位體積的能量密度趕不上鋰離子電池，所以這種電容器還不適合像手機(jī)那樣的小型設(shè)備。眼下正在以能適用于小型設(shè)備為目標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，加緊通過量產(chǎn)效果來降低成本。
雖說如此，但充電電池已經(jīng)在從手機(jī)到混合動(dòng)力車的各種領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)還不斷有新技術(shù)問世，如NEC開發(fā)出的充電時(shí)間短的有機(jī)快速電池。在充電電池市場上排名首位的三洋電機(jī)能量研究所長米津育郎堅(jiān)持認(rèn)為：“(電容器)的許多不足之處已經(jīng)被克服，同時(shí)充電電池也在不斷發(fā)展。”
一邊是成本問題雖然尚未解決、但性能已經(jīng)提高的電容器，一邊是早已投入量產(chǎn)、性價(jià)比也已經(jīng)得到公認(rèn)的充電電池。電容器終于站在了電池的起跑線上，與遙遙領(lǐng)先的充電電池間的距離有望逐步縮短。 |
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