傳統的充電電池由于通過電解液與電極之間發(fā)生的化學反應來產生電力，因此充電時需要花費一定的時間。經過多次充電和放電后，電解液逐漸分解、材料變質，性能也隨之下降，用上幾年后大都需要更換。
與此相比，電容器不產生化學反應，可以直接將電力貯存起來。不僅充電所需的時間非常短，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進行數十萬次以上，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，如果電流強的話不能長時間保持。因此，像原來鈕扣型電容器那樣的小型產品，只能作為電子設備內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。因此應用范圍被局限于混合動力卡車等對尺寸要求不太嚴格的產品。前面提到的演示活動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指日可待。因為能量密度可望提高到與鎳氫充電電池相當的水平。干電池大小的鎳氫電池產品已經得到廣泛普及。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：在施加電壓進行充電時，從正極所使用的碳中釋放出帶負電的電子。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)保持著數個原子大小的距離(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。
當電容器連接到電氣設備上供電時，電子就從負極返回正極，離子也離開電極。電子朝著與充電時完全相反的方向移動并形成電流。由于不發(fā)生化學反應，所以可在短時間內完成充放電。
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。這項開發(fā)工作一直是由動力系統公司會長岡村迪夫主持進行。岡村于1987年創(chuàng)立了岡村研究所(2004年11月與動力系統公司合并)，從1992年開始研究如何將電雙層電容器應用于電力的貯存。
為了有效發(fā)揮瞬間釋放出很大電流這一優(yōu)勢，當時對如何減小電容器內部的電阻進行了認真研究。因為他們考慮到，如果內部電阻高的話將有更多的能量轉化為熱能，從而降低充放電效率。但另一方面，減少內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。盡管內部電阻很高，但可以通過電路來抑制能量轉化為熱能。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投入實用的公司進行了聯合開發(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過高溫處理后形成的活性炭。由于表面有無數的細小孔穴，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)現了一種特殊現象。如果將經過更長時間高溫處理的碳材料作為電極的話，即使沒有細小的孔穴也能貯存比以前多出數倍的電量。
經過調查發(fā)現，離子在碳的內部，打開一個與自身大小相符的納米(1納米＝10億分之1米)級的細小孔穴。根據這種現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)進行研究，但率先發(fā)表成果的卻是日本電子。并實現了利用納米門·碳技術的獨家碳素材料，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(ACT)公司經營管理部長江口純一解釋說：“通過采用制造方法與分子結構與原來完全不同的碳，使得單位面積的能量密度達到原來活性碳的10倍左右。”受這一消息的影響，日本電子的股價連續(xù)5天漲停。
動力系統公司也開發(fā)利用納米門·碳技術的電容器，產品性能比原來有所提高。估計兩家公司都將在2005年就開始量產，日本電子的目標是在2006年度達到50億日元的業(yè)務規(guī)模，而動力系統則計劃將業(yè)務規(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。兩家公司都認為“可以通過量產大幅度降低成本”，但電容器內部的單元至少目前的價格是平均每個數萬日元。也就是說，為了增加容量而將單元并排加工成箱形的話，價格將達到數十萬日元到數百萬日元。
搶占混合動力車市場
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，面向混合動力車等進行銷售。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那樣的小型設備。眼下正在以能適用于小型設備為目標進行改進，加緊通過量產效果來降低成本。
雖說如此，但充電電池已經在從手機到混合動力車的各種領域里得到廣泛應用。同時還不斷有新技術問世，如NEC開發(fā)出的充電時間短的有機快速電池。在充電電池市場上排名首位的三洋電機能量研究所長米津育郎堅持認為：“(電容器)的許多不足之處已經被克服，同時充電電池也在不斷發(fā)展。”
一邊是成本問題雖然尚未解決、但性能已經提高的電容器，一邊是早已投入量產、性價比也已經得到公認的充電電池。電容器終于站在了電池的起跑線上，與遙遙領先的充電電池間的距離有望逐步縮短。
與此相比，電容器不產生化學反應，可以直接將電力貯存起來。不僅充電所需的時間非常短，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進行數十萬次以上，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，如果電流強的話不能長時間保持。因此，像原來鈕扣型電容器那樣的小型產品，只能作為電子設備內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。因此應用范圍被局限于混合動力卡車等對尺寸要求不太嚴格的產品。前面提到的演示活動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指日可待。因為能量密度可望提高到與鎳氫充電電池相當的水平。干電池大小的鎳氫電池產品已經得到廣泛普及。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：在施加電壓進行充電時，從正極所使用的碳中釋放出帶負電的電子。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)保持著數個原子大小的距離(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。
當電容器連接到電氣設備上供電時，電子就從負極返回正極，離子也離開電極。電子朝著與充電時完全相反的方向移動并形成電流。由于不發(fā)生化學反應，所以可在短時間內完成充放電。
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。這項開發(fā)工作一直是由動力系統公司會長岡村迪夫主持進行。岡村于1987年創(chuàng)立了岡村研究所(2004年11月與動力系統公司合并)，從1992年開始研究如何將電雙層電容器應用于電力的貯存。
為了有效發(fā)揮瞬間釋放出很大電流這一優(yōu)勢，當時對如何減小電容器內部的電阻進行了認真研究。因為他們考慮到，如果內部電阻高的話將有更多的能量轉化為熱能，從而降低充放電效率。但另一方面，減少內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。盡管內部電阻很高，但可以通過電路來抑制能量轉化為熱能。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投入實用的公司進行了聯合開發(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過高溫處理后形成的活性炭。由于表面有無數的細小孔穴，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)現了一種特殊現象。如果將經過更長時間高溫處理的碳材料作為電極的話，即使沒有細小的孔穴也能貯存比以前多出數倍的電量。
經過調查發(fā)現，離子在碳的內部，打開一個與自身大小相符的納米(1納米＝10億分之1米)級的細小孔穴。根據這種現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)進行研究，但率先發(fā)表成果的卻是日本電子。并實現了利用納米門·碳技術的獨家碳素材料，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(ACT)公司經營管理部長江口純一解釋說：“通過采用制造方法與分子結構與原來完全不同的碳，使得單位面積的能量密度達到原來活性碳的10倍左右。”受這一消息的影響，日本電子的股價連續(xù)5天漲停。
動力系統公司也開發(fā)利用納米門·碳技術的電容器，產品性能比原來有所提高。估計兩家公司都將在2005年就開始量產，日本電子的目標是在2006年度達到50億日元的業(yè)務規(guī)模，而動力系統則計劃將業(yè)務規(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。兩家公司都認為“可以通過量產大幅度降低成本”，但電容器內部的單元至少目前的價格是平均每個數萬日元。也就是說，為了增加容量而將單元并排加工成箱形的話，價格將達到數十萬日元到數百萬日元。
搶占混合動力車市場
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，面向混合動力車等進行銷售。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那樣的小型設備。眼下正在以能適用于小型設備為目標進行改進，加緊通過量產效果來降低成本。
雖說如此，但充電電池已經在從手機到混合動力車的各種領域里得到廣泛應用。同時還不斷有新技術問世，如NEC開發(fā)出的充電時間短的有機快速電池。在充電電池市場上排名首位的三洋電機能量研究所長米津育郎堅持認為：“(電容器)的許多不足之處已經被克服，同時充電電池也在不斷發(fā)展。”
一邊是成本問題雖然尚未解決、但性能已經提高的電容器，一邊是早已投入量產、性價比也已經得到公認的充電電池。電容器終于站在了電池的起跑線上，與遙遙領先的充電電池間的距離有望逐步縮短。
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本文鏈接：大容量電容器有望取代目前各種電池
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