是电池,是电容器?不,是超级电容

日期:2018-11-06
 

超级电容为包括IoT设备在内的许多应用提供持久、可靠、紧凑的备份电源。
 
作者:Takahide Morikane, Manager, 电容器部产品管理部, KEMET
小电池超级电容器具有高循环寿命和快速充放电时间的能力,可以取代硬币型电池,从IoT设备、智能仪表或医疗设备的备用电源,到汽车电子和工业计算。典型应用包括当主系统电源被移除时,例如维护系统的实时时钟或易失性存储器时,在断电期间或当主系统电池被移除以便替换时。
在这些情况下使用超级电容器使得产品制造商能够让用户不受有限电池寿命的限制。它们还可以从PCB材料清单中消除昂贵和笨重的电池座,有利于小型焊接设备,并消除制造挑战,例如管理电池货架寿命和在装运前插入电池。超级电容器的良性开路故障模式与可能导致放气或点火的典型短路电池故障形成了鲜明对比。
电容值高达5法拉的超级电容器是小型备用电池的最具成本效益的替代品,并且根据负载类型和电流需求,可以存储足够的能量来为从几秒到几天的持续时间提供备用。
 
超级电容器
超级电容器,也称为双电层电容器(EDLC),包括涂在多孔材料中的两个电极,该多孔材料通常是碳基的,由本身被膜隔开的电解质隔开。
与电池不同,超级电容器通过物理吸附和解吸包含在其电极之间的电解质中的离子来快速存储和释放能量。这些过程比电池充电所涉及的化学反应快得多。考虑到超级电容器的低内阻,该装置可以在几秒钟内完全充电,而二次电池可能需要十分钟到几个小时才能完全充电。此外,理论上对循环寿命没有限制,而锂离子二次电池具有大约500个循环的有限寿命。
碳基材料的现代进步使得多孔电极具有大的表面积,从而产生高的电容值和小的外部尺寸。电解质还对器件性能有重要影响,通常为有机化合物或水溶液。水性电解质具有高导电性、低环境影响和不易燃性,具有强大的性能和安全性。它们通常也比有机化合物具有更大的抗吸湿性,从而具有更长的寿命和更好的稳定性。
对于所有的器件类型,电解质特性决定了整个超级电容器端子电压。当完全充电时,电压通常小于3V。一种构造小电池超级电容器的常规方法与硬币电池相当,硬币电池包括通过挤压连接并封装碳电极和有机电解质的下部和上部金属外壳。尽管内部垫圈有助于密封,但是电解质可以在相对较短的寿命内干燥,并且热冲击会损害结构的完整性。
 
非普通超级电容器
KEMET的小电池超级电容器的特色是高强度的硫化橡胶粘合剂,确保防止液体泄漏的高安全性。图1的横截面显示了如何构造这些超级电容器,包括水电解质、橡胶化电极和分离膜。
 

图1:水电解质小电池超级电容器
 
为了实现比单个电池的基极电压高的期望输出电压,多个电池可串联连接。例如,硬币型超级电容器通常堆叠在外部罐内或热收缩材料管内,以及附接到上表面和下表面的电极。
含有水电解质的超级电容器可以有效地堆叠,以在较小的壳体尺寸内实现较高的额定电压,并且具有强粘合的密封以防止热冲击和机械冲击的附加优点。坚固可靠的器件可以覆盖范围广泛的工作电压,从3.5V到12V。图2显示了这种多电池结构如何封装在树脂模塑封装中。或者,外包装可以是密封的金属罐,端子可以是通孔或表面安装。
 

图2:坚固树脂模制外壳中水性电解质小电池超级电容器实例
 
现实世界
除了拥有特殊的功率——像任何喜欢的超级英雄——超级电容器也有脆弱性。它要求在充电时电流高于最小阈值,称为吸收电流,就像普通电容器一样,由于环境影响和老化,容易发生泄漏和参数变化。
充电过程中发生的吸收电流是由于多孔电极材料中离子的再分配引起的。最初被吸收在表面上的离子随着时间的推移,趋向于扩散到电极结构中,消耗流入器件的电流的一部分。由于这个原因,需要高初始电流来继续对超级电容器充电。
参数变化可能是环境条件如高环境温度或湿度以及老化的结果。与具有有机电解质的替代品相比,具有水电解质的装置能够更好地承受高温和湿度,而不干燥或吸收水分,因此通常表现出更大的稳定性。图3比较了当暴露于温度升高时水和有机类型的等效串联电阻(ESR)的位移,显示了含水类型如何具有显著更大的温度稳定性。
 

图3:ESR稳定性与温度的比较
结论
超级电容器在各种备用电源应用中为电池提供了高性能的替代品,提供了大循环寿命,并且避免了设计者担心电池更换或充电的任何需要。
电极材料和电解质配方的改进使这些强大的器件能够存储更多的能量,并且更容易堆叠以提供所需的输出电压。最新的超级电容器以水电解质为特色,随时准备来拯救RTC保持和NVM备份,应用遍及能源、安全、汽车和医疗市场。
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