电容器的X-men

被动组件电容器短短数十年之间，需求量激增了至少500倍以上，而电气二重层电容改良后的锂离子电容器能量密度特高，安全性特优，小而美，咸认为是最棒的下一世代蓄电组件，搭配风力、太阳能发电等大自然电力再生，有机会成为地球既平又热又挤下绿色电子的救世主呢?

“电气二重层”这个名词或是概念，肯定不是创新的概念，而是在1879年，由德国的物理学家Hermann Yon Helmhortz所发现并以此来命名。该先生在浸于电解液中的导体接口上，自然会产生相当于电解液溶媒分子厚度的绝缘层，而与外侧的电解液层，形成了二层的状态；从此以后，才会有电气二重层电容器的研究。

“电气二重层电容”的效应，其实是美商GE通用电气于1957年做多孔碳电极的实验时所发现的，当时认为能量是储存在碳的孔隙中，而呈现极高的电容量。但是其机制原理并不清楚，GE也未再追踪探究下去。这一搁置到了1966年俄亥俄Standard Oil于设计开发燃料电池(Fuel cell)的时候，又意外地发现这个效应。以一个薄型的多孔绝缘体来分离两层活性碳。然而，Standard Oil始终却未能将之发明给产品化，唯有将其技术授权给日商NEC。终于在1978年，超级电容器(Super capacitor)世界初出现在市场上，使用于维护计算机内存的备用电源。可能是材料科学发展的脚步走的缓慢，超电容器有市场规模也是到了90年代中期的汽车市场才发生的。

当碳棒(Carbon rod)沉浸在硫磺酸溶液cSulfuricAcid Solution)中时，，彼此分离然后慢慢地施加电压从0V～1.5v，到1V时几乎什么事都没发生，但是，当电压一旦越过了1.2V，在双方的电极(Electrode)表面上会出现小气泡。再增高电压，更多的气泡产生。这些气泡其实就是水的电气分解(Electrical Decomposition)所产生出来的现象。低于分解电压，电流不会流通。也就是说，低于分解电压，电气二重层就有如绝缘体。

在电极(Electrode)以及电解液(Electrolyte)的交界接口处，确实产生了电气二重层(Electric Double Layer)。电子越过该二重层，形成了一个电容器组件。

前面略有提及，真正威震有力的触发点是在2003年10月，科学机器的制造商日本电子发表了“奈米闸电容器(Nano-Gate Capacitor)”，一个能量密度极高的电气二重层电容器，每个质量的能量密度可以与镍氢充电电池相互匹敌，而震撼了机器业者以及电池的制造商。带动群体厂商的研究风潮。

不少厂商在研究如何利用电气二重层电容器来作为如同充电电池的蓄电系统，如何来实践使用寿命长，而且充电时间短的理想电源。经过长时间的观察，可以发现这点需要在“材料”上以及“电子电路”的双主轴上，下足功夫才能够办的到。依据冈村研究所的资料指出，之所以能够制造出出类拔萃能量密度的电气二重层电容器，主要的关键因素就是发现了某种条件下使用的电极材料。

极材料不一样是也

即使能量问题以及环境议题意识早就提升，可是大型电气二重层电容器的发展步调却是有如异常般的缓慢，主要的原因在于当时电气二重层电容器的能量密度实在是过小，在90年代初期，使用有机电解液，也仅能够达到1Wh／kg～2Wh／kg罢了，等于铅蓄电池的1／20程度而已。即使，美国的能源部DOE(Department of Energy)也有电气二重层电容器的研究计划，美日两国也都有相同的报告指出，电气二重层电容器拥有瞬间充电、放电的电源能力。因此，应用也就局限在瞬间大电流输出的用途上。

一般的电气二重层电容器，大多是以活性炭或是石油焦炭等炭素材料作为电极的原材料。这些的高温处理，也就是“活性化”的处理，利用其容易吸附其他物质的状态。也就是说，活性炭的比表面积越大时，电气二重层形成的面积也就越大，能够蓄积更多的电荷。也就是这个缘故，传统的开发主要重心多是想尽办法来提高活性炭电极的比表面积。这是传统的思考模式。

电气二重层电容器的能量密度E，可以使用一个数学式来展现。

E=1／2・C・V2

其中，C即是静电容量，V乃电压。

冈村研究所就将离子侵入“非多孔性材料”炭素电极，转变为多孔性的过程，宛如最初的充电对于电极产生的活性化状态，因此，称之为“电气活性化”(Electric Activation)。而这个电气活性化所产生的直径就在奈米级的层次，“奈米闸电容器( Nano-Gate Capacitor)”名称的由来，就是源自于这个典故，而且是由ECaSS(Energy Capacitor System)的企业成员Omron所提出来的意见。

富士重工业更是结合了“锂离子电池+电容器”的产品策略，推出了新的蓄电技术，在“Advanced Capacitor World Summit 2005”上发表。该公司称之为混合式电容器(Hybrid Capacitor)，瞬间的电流输出，也就是输出密度与电气二重层电容器同等的水平3000W／l～4000W／l。应用目标乃是针对汽车市场而来。

近来，“锂离子电容器(Li-ion Capacitor)”的热络，乃是利用电气二重层电容器的原理，在负极端添加锂离子提升能量密度的秘方，性能凌驾了电气二重层电容，而且也有组件开始出货的实绩。尤其，具有高能量密度，大容量化、小型化等优势，被认为是最好的蓄电装置。应用领域可以跨及汽车、电源电力、太阳光／风力发电、工业用机器、事务机器等。

CEATEC 2007，太阳诱电展示锂离子电容器驱动机器人的实绩。

CEATEC 2007，日商FDK开发的锂离子电容器EneCapTen。

CEATEC 2008，NEC／Tokin展示开发6s钟可供给200A的锂离子电容器。能量密度是电气二重层电容器的4倍。开发应用目标是运输、UPS(UninterruptabIe Power Supply)等需要短时间大电流的用途。

日本JSR(百分之百出资JM Energy)于2008年11月11日发表新工厂完工，开始锂离子电容器的生产。

再来，被人视为结合电气二重层电容器与锂离子电池双重效应的“锂离子电容器(Li-ion Capacitor)”，简称LIC。其蓄电的原理，正极与电气二重层的效果而蓄电；另外，负极与锂离子电池同样的伴随氧化还原反应而蓄电。而锂离子电容器能量密度增加的理由，是单元(Cell)电压与负极静电容量增加的缘故。单元的能量E、静电容量C与单元电压V的关系如下式：

E=I／2CV2。

传统的电容器电压2.5V～3V，添加锂离子 后可以到达4V。能量是电压的平方倍，故增加了1.8～2.6倍。

另外一方面，单元的静电容量C与正极静电容量C+、负极静电容量C-，可以用数学式来表示：

1／C=1／C++1／C-

当添加了锂离子之后，负极蓄积的静电容量是传统的30倍以上。因此，单元全体的静电容量约增加了2倍。

这就解释了为何锂离子电容器的体积能量密度会是电气二重层电容的3～5倍左右的程度。

日本电子与ACT(Advanced Capacitor Technoloqy)共同在2008年11月，开始贩卖能量密度为电气二重层电容器5倍的锂离子电容器。宣称是世界最高的等级。静电容量5000F的A5000，其能量密度与蓄电量分别为25Wh／kg与8.3Wh。动作电压与温度范围别是2V～4V与-30℃～60℃。

若是用体积能量密度来表示，一般电气二重层电容不会超过10Wh／L，锂离子电容器约在10～30Wh／L，ACT的制品甚至超越40Wh／L。如此的数字是不及锂离子电池，与铅蓄电池相近甚至越过。透过模块化，可以大容量化。表示电流输出的输出密度绝对不比电气二重层电容逊色，而寿命、维护面绝不是电气二重层电容所能譬喻的。我们可以就电气二重层电容、铅蓄电池、锂离子电容器、锂离子电池，用一张能量密度一输出密度的示意图，来更清楚了解锂离子电容器的电气性能。

多数的锂离子电容器的制造商，从实验中确实验证了反复数万回的充放电，仍能保持初期的90％以上容量，自己放电很小。以太阳诱电子公司昭荣电子所制作的圆筒型锂离子电容器来评估自行放电特性，发现经过了2500小时，依然维持95％以上的电压。温度特性也凌驾电气二重层电容，特别是高温特性非常卓越。在60℃特性丝毫不会劣化，若是维持有容量空间，使用上到70℃-80℃，也该不会有什么问题。

还有一个很重要的地方，锂离子电容器虽然与锂离子电池在构造上有相似的地方，然而，不会有“发火”、“破裂”等令人害怕的事件发生。它不同于正极使用LiCoo2的锂离子电池，正极没有氧化物，理论上不会发生所谓的“热暴走”的现象。安全性相对优秀许多。

注；热暴走，在电池的场合是指单元内部温度上升到大约200℃时，正极的结晶崩坏而放出氧气，这个氧气进一步发热连锁反应，混入内部的异物会沉淀成长金属离子，造成内部短路，氧化的电解液有机会发火场合出现。

依据过去在锂离子电池上的累积经验，所进行的试验含跨了插入钉子(让电解液气化观看是否有膨胀)、外部短路、过充电、过放电、加热、强制内部短路、落下、压坏等电气试验与压力试验，确确实实地验证了没有发火、破裂的疑虑，使用锂离子电容器的安全性高过锂离子电池。

知名的LED灯具制造商L-Kougen就开发组合LED照明、太阳能电池面板与锂离子电容器三项绿能组件的街灯，目前已经进入了实际架设的实验阶段。而且，开发锂离子电容器的厂商，除了看好与风力／太阳能发电的搭配组合，其视野与用途瞄准UPS；~停电电源装置、建设机械、电梯等峰值电流的辅助，回生(再生)电源或能量的蓄电，当然汽车市场绝对不会错过(电子控制单元的备份电源、殆速熄火到起动的补助、能源的再生等)。而家电装置的实用性也努力评估中。

利用锂离子电容器来作为峰值电流的补助，可以带来良性的边际效用。主电源的设计可以小容量化，整体系统就可以更小型化。运用在工作机械、工业用途机器人的补助电源就受到高度的期待。全般适用省电力，耗动力的产业机器。合乎环保，减碳的当前议题。

根据观察，电容器与锂离子电池是日商的强项。而各个厂商的着力点是想藉由独自的特色来创出自己的蓝海市场。先行锂离子电容器开发厂商之一的JM Energy领先业界完成专用工场竣工，2008年12月开始月产30万单元(Cell)的商业量产。ACT于2008年贩卖的Premlis，以特高能量密度40Wh／L以上为其产品差异化的手段。宣称是电气二重层电容的5倍，世界最高水平。彻底发挥UPS、发电设备的补助蓄电能力。目前，有月产2万个的供给体制，正式大规模量产约是2010年。旭化成今称其单元能量密度30kW／L，经由改善材料，用途朝向峰值电流之补助。

NEC Tokin于2008年9月，发表了静电容量1000F的单元。定位于高容量高输出的制品，图求热损失的抑制。FDK的EneCapTen单元的电气性能是标准的程度，凝聚工夫于模块的控制电路。比如说，初期电压浮动的补偿，多数模块的一括管理等。枪口瞄向长时间使用的产业用途。

日立化成的合作群(还有日立ACT、新神户电机)则是强调其圆筒型单元的坚牢性。该公司所开发900F直径40mm的大型圆筒单元，以金属框体包覆，适用于过热环境下的汽车或工场内的产业机器领域。

就当前2008年底而言，锂离子电容器每法拉(F)的费用还是高过电气二重层电容，安定化的量产也需要时间来逐步淬练。

结语

总之，从超级电容器进化演变的锂离子电容器，与传统的电解电容器相比，具有非常高的功率密度和实质的能量密度。未来有取代电气二重层电容的姿态。在过去几年，这些组件已逐渐应用在消费电子、工业和汽车等许多领域。随着超级电容的产量成长以及价格下降，应用空间就会更开阔明朗化了，也盼望汤马斯・佛里曼(Thomas L.Friedman)笔下绿能革命的“绿能产品”能尽快运用到各个家庭、地球的四处角落上。