リチウムイオンキャパシタとは
リチウムイオンキャパシタとは、電気二重層キャパシタとリチウムイオン電池の性質を併せ持った蓄電デバイスです。
英語では「Lithium Ion Capacitor」と表記されるため、LICと省略され、リチウムイオン電池 (英: Lithium Ion Battery) のLiBと区別されます。
電気二重層キャパシタ (英: Electric Double Layer Capacitor:EDLC) と比較して、エネルギー密度が高く、リチウムイオン電池と比較して出力密度が大きくできます。これらの特性の違いから、用途により棲み分けがされています。
リチウムイオンキャパシタの使用用途
リチウムイオンキャパシタは、エネルギー密度と出力密度が高く、安全性、耐久性にも優れた蓄電材料です。リチウムイオン電池が苦手な高出力を必要とされる分野での代替が期待されています。また、電気二重層キャパシタが苦手なエネルギー密度が必要とされる場面や、高温高電圧の負荷がかかる場面での用途での使用が可能です。
優れた急速充放電特性、高温特性、耐久性、信頼性を備え、安全に取り扱えるのが特徴です。充放電を繰り返しても長く安定的に使用できるため、太陽光発電、風力発電、瞬時電圧低下補償装置、産業機械、交通・車両関連等、幅広い分野での応用が検討されています。
リチウムイオンキャパシタも電気自動車の動力源としての適用も検討されましたが、エネルギー密度がリチウムイオン電池に比べ低く、航続距離の観点で劣るため、電気自動車用途ではほとんどがリチウムイオン電池が用いられています。ただし、リチウムイオンキャパシタはリチウムイオン電池に比べ、急速充放電性が優れているので、路面電車やバスなどの走行ルートが決まっている車両を、停留所、駅で停車時に充電し、走行時の電力を蓄電するような運用が検討されています。
リチウムイオンキャパシタの原理
リチウムイオンキャパシタはセル、正極、負極、電解液などから構成されていて、電解液中に存在するリチウムイオンの正極や負極への吸脱着により、繰り返し充放電ができます。リチウムイオンキャパシタに電圧を加えると、負極にはリチウムイオンが吸蔵して、正極にはアニオンが物理吸着します。
この状態から放電すると、負極のリチウムイオンは脱離して正極ではアニオンが脱離した後にリチウムイオンが吸着されます。充放電に伴い、正極では電気二重層キャパシタのような物理的な吸着脱着を利用しており、負極ではリチウムイオン二次電池のような化学反応を伴う、リチウムイオンの吸蔵放出を利用しています。
リチウムイオンキャパシタではエネルギー密度を高めるために、セル電圧を高くする必要があります。これは蓄電されるエネルギー量がＥ＝CV2/2 (C: 静電容量、V: セル電圧) で表されるためです。電圧は正極電位と負極電位の電位差ですが、正極電位を上げると材料が酸化分解するので、リチウムイオンキャパシタでは負極に、製造段階であらかじめリチウムをドープし、負極電位を下げることで充電時に電位差が大きくなるようにしています。
リチウムイオンキャパシタの構造
キャパシタとはコンデンサのことで、主にセル、正極、負極、電解液、セパレータなどから構成されています。リチウムイオンキャパシタは、正極の活物質として、活性炭が使用されており、負極の活物質にはリチウムイオン電池と同様に比表面積が小さいです。
リチウムイオンをドープ可能なハードカーボンなどの炭素材料が用いられています。正極にはアルミ、負極には銅の集電体が用いられていますが、後述する製造工程でのリチウムのドープのため、リチウムイオンを透過させる必要があり、多孔質になっています。
電解液としては、通常LiBF4 (テトラフルオロホウ酸リチウム) 、LiPF6 (ヘキサフルオロリン酸リチウム)等のリチウム塩を有機溶媒に浴解した有機系電解液が用いられています。セパレーターは、リチウムイオン透過性や電解液の含浸性に優れたものが用いられます。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/electrochemistry/77/6/77_6_477/_pdf/-char/ja
https://jpn.nec.com/techrep/journal/g10/n04/pdf/100418.pdf