超级电容器是在电场中存储致密电荷的设备,该电场提供电子设备或电网,其快速振荡电源按需。它们的电容值远远高于典型电容器,而是以较低的电压限制成本高。与典型电容器不同,超级电容器不使用传统的固体电介质(绝缘体) - 它们利用静电双层电容(通常由碳制成)和机电伪电容(金属氧化物或导电聚合物)。两者都有助于电容器的总电容,并且设计用于长期储能的许多快速充电/放电循环。混合超级电容器将电容,能量密度和工作电压(最大3.8V最大)增强到对称超级电容器的10倍。

电容类型

重要的是要注意有三种类型的电容器,最基本的是静电电容器配备干燥的分离器。这种类型的电容器具有非常低的电容,主要用于调整射频和滤波,并从几种微微法拉(PF)的范围为低微量机(μF)。

第二电容提供电解质,并提供比静电电容更高的电容,并且在微法中额定电容,这显着大于Pico-Farad。这些电容器部署了潮湿的分离器并用于过滤,缓冲和信号耦合。与电池一样,静电容量必须观察到阳性和阴性。

混合电容器提供比EDLCS更大的能量密度,并使用诸如浸入液体电解质的活性炭等介质,桥接超级电容器和锂离子电池单元之间的间隙。(图片信用:太野Yuden)

第三种类型是超级电容器,在Farads中额定值,这比电解电容器高次数。这种类型广泛用于高电流经常充电/放电循环的能量存储,短持续时间。

电气双层电容器(EDLC)是当今最常见的电容器。虽然它们提供高电容,恒星功率密度和令人印象深刻的效率,但它们有一些缺点;最值得注意的是,“自放电”,意味着如果在短时间内没有排出,则储存能量将流出,这在更高的温度下加剧。通过将超级电池与锂离子电池耦合,通过极小的自放电提供增加的密度来减轻该问题。虽然包括电容器的电池是一个很好的停止液解决方案,但它也存在它的问题,包括在充电/放电循环和热失控期间增加的磨损,这可能是灾难性的。

杂交或锂离子电容器旨在为单个封装提供EDLC和锂离子电池的最佳特征,基本上合并了两种技术,以提高性能和安全性。尽管使用静电电荷和锂离子电池的EDLCS储存能量使用电化学方法,但混合电容器使用一个静电电极和一个电化学。结果是一种能量存储解决方案,可在EDLC上提供更高的密度,但没有泄漏,热失控,过充电/短路以及扰乱可充电电池的其他安全问题。

Taiyo Yuden的电容器组件具有低ESR,具有各种适用于大多数环境的操作温度。(图片信用:太野Yuden)

混合超级电容器还具有更低的自放电和待机电流。相比之下,传统的超级电容器由于较低的ESR(相当于串联电阻)而具有更高的功率能力,操作温度范围更广泛。传统的超级电容器可以向零伏特出院以供安全。相比之下,杂交超级电容器不能完全排放,这可能会对那些触及不受保护的人造成伤害。

混合电容器设计

混合电容器通常使用由浸入类似于在锂离子电池中发现的液体电解质中的活性炭制成的正电极设计。由掺杂有锂离子的碳基材料制成的负极也悬浮在电解质中,以及防止电极之间的直接接触的分离器。用锂离子进行预掺杂负极扼杀电容器的电位,允许比在正电极上的高电位的情况下实现更高的输出电压,最大为3.8V。与锂离子电池一样,一些混合电容器含有毒性和高度易燃的电解质。

EDLC和混合电容器对锂离子电池的性能比较。

考虑到能量密度与电压的平方成比例,混合电容器比具有相似功率密度的EDLC的能量密集多次,这意味着相同的能量可以存储在传统EDLC上更紧凑的设计中。预掺杂电极也稳定其潜力,减轻持续储存状态的任何潜在泄漏。而不是将离子嵌入或解冻(插入或提取)将离子移入碳晶格中,例如锂离子电池中的那些,混合电容器在电极表面上吸收/解吸这些离子,在该过程中没有结晶变化。这增加了充电/放电循环的数量,混合电容器可以在不损失每个循环的情况下进行电压。

随着新技术的开始,更多的公司和制造商正在转向混合电容器,以便他们增加的密度和效率,包括来自太多Yuden的锂离子电容器组件,其具有低至60mΩ的内部电阻(DCR),并在圆柱形中出现,紧凑型金属外壳,最小的测量仅为30×10毫米。它们还具有-25至+70°C的工作温度范围,如果需要,可以将电压从3.8到3.5 V的电压降低到+85°C。

应用程序

如前所述,每种电容器的性质都表示其理想应用。例如,锂离子或混合电容器最适合需要高能量和功率密度的应用,泄漏较低,耐久性增加,耐用性和安全性。它们还在高效的高效超出典型EDLC中的高效温度,包括辅助,脉冲和混合动力系统。

锂离子(混合)电容器的另一个关键应用领域包括用于能量收集装置的电源,例如太阳能电池板,因为它们可以利用具有最小能量流动的新型电力转换技术。它们还可以将生成的能量存储并按需释放。此外,混合电容器具有长寿期寿命,这在保持效率的同时降低了维护成本。我们可以在未来几个月和多年来看到许多制造商在未来几个月内使用这种创新技术创造了新的能源收集应用。

本文是由Martin Keenan,Avnet Abacus,Waltham,United Kingdom的技术总监撰写的。有关更多信息,请访问这里


技术简报杂志

本文首先出现在6月份,2021年问题技术简介杂志。

阅读档案中的更多文章这里