电容器的X-men锂离子电容器(上)

锂离子电容器的应用

话说搞电子的工程技术人员一生在电子线路领域里中打滚，从L/R/C等基本被动组件玩到晶体、集成电路，经历了当下之SiP与SoC，还有始终数不清楚封装方式的集成电路。但最令人感到惊奇与兴奋的被动组件，可能要首推“电容器”(Capacitor)了。日本惯用“Condenser”来称呼。
况且，功率半导体业界，SiC(碳化硅)新材料当前正夯呢!毕竟，所有的电源模块，一定都需要用到电容器。尤其是蓄电用途的电容器，更是需要超高的电气性能。

注：SiC(碳化硅)材料，觉醒了Converter、Inverter的功率半导体产业，应用从汽车到太阳能发电领域，取代硅材料，是明日之星。
Xbox经历了一场电源线大回收的教训，在次世代Xbox 360设计的组件选择上格外用心，特别是电容器，几乎全是用知名大厂的零件。
喜欢把玩音响扩大机、喇叭DIY的游戏者，还是图谋个人计算机的音质提升，改机升级往往就是先从“电容器”的替换来下手。而且，各种价格不斐的电容器，琳琅满目。知名的德国WIMA电容、瑞典的RIFA电容、日本的黑爵(Black gate)电容(Rubycon最高等级制品)等，都是常听见看得到的好样组件。

而最近有一种称之为锂离子电容器LIC(Li-ion Capacitor)像潜水艇般逐渐浮出水面上，有人认为这是结合锂离子电池以及一种称为电气二重层电容器，两者优生学混合之下的新组件，这个说法是有道理。一般，还是将它归属于超电容器(Ultra Capacitor)的领域。有一家专业于先端技术的信息研究与分析公司HIEDGE，依据其预测，2009年是锂离子电容器的量产准备期，市场可望在2011年开始慢慢向上昂飞。

注：锂离子电容是一种正极与负极充放电原理不同的非对称电容。采用锂离子电池的负极材料与电气二重层电容的正极材料之组合构造。
先来举一个绝佳的案例，可以用来阐明为何主张未来的电子争霸，该是回归物理基础科学的观点。尤其是材料科学。2008年底，东京大学研究团队透国结晶构造的详细解明清楚，发现Li2FeSiO4(Li-Fe-硅-氧)若是取代当前手机、笔电锂离子电池所使用的正极材料LiCoO2(因为钴Co是稀有金属)；那么，锂离子电池低价制造之道就不远了。以后，诸如数字相机正厂所卖的电池，若是依然那么昂贵，也就太贪心了。
而此处所欲提及的“锂离子电容器(Li-ion Capacitor)”也是另一个鲜明的案例，来解释材料科学的重要性与创新威力。信息业就如拳击赛，上了舞台，不是输就是赢。创新就是最佳的攻击力。

节能减碳(整个世界二氧化碳CO2的排出量，发电就占了35%的最高比例)是物价高涨飞腾后的最夯民生话题，地球暖化、温室效应的气体排出量削减，是全球关注的课题。除了火红的太阳能之外，风力发电的设施建设风潮，在欧洲、美国、中国正积极展开导入。风力发电公认最具有潜力并且减少温室效应的自然能源。而“锂离子电容器”则被视为家用、企业屋顶、公园路灯等小型发电最佳的蓄电组件，最佳拍文件组合。

锂离子电容器于风力发电的开端，是日本福岛县冲的海洋天然瓦斯挖掘设备导入21台的小型风力发电装置以及使用锂离子电容器的电容器模块的设置。为了确保电力的维持，采用以小型风力知名Zephyr的Airdolphin风力发电装置，电容器模块采用了JM Energy的片状锂离子电容器单元(宣称是世界最高峰的大容量电容器)。在风车与Inverter之间，安置了电容器模块，可以吸收风力变动的发电量。也扮演着缓冲的脚色。通常，Inverter在损失以下的微风时，微小的发电量也难以蓄电，有了电容器就可以蓄电。反之，发生超过Inverter定格容量(1kW)的强风时，电容器的蓄电也不会浪费掉。
经过一年的试验运转之后，于2008年6年正式启用。并且，尔后还可进行将二氧化碳CO2贮留在海中的试验。

而日本宫崎县也开始导入组合LED照明与太阳能面板使用锂离子电容器的试验。目前的试作品使用两个1W的LED，平均驱动约0.6W的程度。于周围没有任何照明的场所，若是充满电，可以应付一整晚。此试验的原本考虑是检讨镍氢电池的采用性，认为对应发电量变动的对应控制模块过于复杂，遂选用容易因应发电变动，能量密度又高的锂离子电容器。选用的组件是ACT(Advanced Capacitor Technology)所开发的“Premlis”单元，静电容量为5000F。
注：ACT所开发的“Premlis”锂离子电容器，正极采用独自开发的奈米闸碳(Nano-gate Carbon)、负极采用黑铅(石墨)系碳；目前专利申请中。

锂离子电容器源起暨基础原理

于兹，就是要来探讨锂离子电容器的实力，挖掘为何会受到厂商的垂爱。因为，锂离子电容器系由电气二重层电容衍生而来；值是之故，当然必须先从电气二重层电容先来说起，并且说明为何原因锂离子电容的体积能量密度会是电气二重层电容的3~5倍之多。

“电气二重层(Electric Double Layer Capacitor)”的电容器，先受到了最高度瞩目的起因也许可以追溯到两件关键要事。其一，日本电子所开发的“奈米闸(Nano-Gate)电容器”，其质量密度是传统技术的10倍之多。因此，获得了2004年“日经BP技术大奖”的光荣美誉。这类的电容器通常使用于环境奈米应用、混合式汽车(Hybrid vehicle)，高负载级应用(Load leveling)等。

另外，富士旭化成电子与FDK开发使用Li塩在电解液的电容器，可是一直没有正式量产化。而突破性的契机在于2005年8月，富士重工业采用了多并苯(Polyacene)系负极材料，使得Li离子大量粘稠于负极；正极依然采用活性碳。这种特征就高输出、长寿命维持的秘方，是启动厂商们开始采用的手段。
以2008年底的时间点来观看，旭化成电子、ACT、NEC/Tokin、FDK、JM Energy、太阳诱电(昭荣电子)、日立Advanced Interconnecting Components/日立化成等公司，皆有在开发锂离子电容器。
注：电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)，简称为EDLC。

电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)的对外称呼可真多元，经常可以见到的有“超电容器(Super Capacitor) ”、“终极电容器(Ultra Capacitor)”、“电气化学电容器(Electrochemical capacitors)”等恭维式的称呼，没有很明确的定义。
为了慎重起见，就完全遵循“ECaSS(Energy Capacity System)组织论坛”的用语，以“电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)”的名称来贯穿本文。
注：ECaSS是Power System公司董事会长，冈村廸夫于1992年发明的革新蓄电系统。

电气二重层电容器，可以说拥有不少的特长：
● 可以急速大电流充放电。
● 充放电效率高。
● 反复充放电寿命长。
● 容易计测组件中的残量。
● 不含有害的重金属，是绿色组件。
● 没有爆炸、起火的危险性，安全性高。
● 使用温度范围广。温度特性优。

注：Ragone Chart，系一种用泡泡图来展现各种能量储存(蓄积)的性能比较图。首先是应用于电池上的比较。观念上，纵轴的能量密度是指有多少能量可供应用；横轴的功率密度，意思是说能量的传递有多快。
注：能量密度(Energy density)，能量密度乃是每单位体积介质或是单位质量所包含之能量。常见的单位有Wh/Kg，Wh/L。
那就先来看看“电气二重层电容器”的来龙去脉与基本原理究竟是怎样一回事。