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释说芯语28:超级电容,是时候重新回到聚光灯下了

院士
2018-11-23 16:39:42    评分

从能源采集到发电厂,电力电子的应用无处不在,没有一种应用不需要电力。从历史看,电力电子工业变化多端,许多以前无法实现的应用用新技术都实现了。在不断寻求提高性能、可靠性和可持续性的过程中,新的元件和技术,如宽带隙半导体和数字电源管理,受到了广泛的关注和报道。然而,后端的储能元件也是非常重要的,在许多重要的应用中都不可忽略,一个重要的储能元件就是超级电容。

超级电容,又名电化学电容,是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,因此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容几乎无处不在,或许是因为它们被视为技术含量低的被动元件,它们很少出现在舞台前端。现在,是时候让他们重新回到聚光灯下了。


从历史到现实

电解电容诞生于五十年代早期,是电子行业向前迈出的重要一步。1966年11月,标准石油公司的工程师Robert A. Rightmire获得了“电能存储装置”专利,超级电容器诞生了。又过了10年,这项发明才进入市场。 

图1:超级电容的结构

由于超级电容有短时间内储存和释放大量能量的能力,电动汽车在研究超级电容领域取得了好成绩,发明和专利的数量也直线上升。在电动汽车上最重要的应用是储存减速和刹车时产生的能量,以便在加速时重新利用这些能量为发动机提供动力。2011年3月旧金山的清洁技术论坛上,Elon Musk这样预测电动汽车的未来:“我认为现在是个很好的机会,不是电池,而是将来超级电容可以给电动汽车充电。”他的演讲引发了人们对超级电容潜力的大量猜测,他们认为超级电容将是大规模储能的解决方案,最终将取代电池。

超级电容电池基本上由两个电极、一个分离器和一个电解质组成。电极由金属集电极组成,金属集电极是高导电部分,表面材料大多是活性材料(金属氧化物、碳和石墨是最常用的材料)。

超级电容会不会取代电池呢?毫无疑问,纳米技术的潜力让人们对未来某个时刻超级电容的性能可能达到与电池同等的水平抱有很高的期望。如图2所示,不同类型储能设备的能量与功率密度的关系,目前燃料电池、电池、超级电容和常规电容的性能水平没有重叠。然而,它们是互补的,而且最近的技术进步正在减少电池和超级电容之间的差距。

 图2:不同类型储能装置的能量与功率密度

最近,技术进步正在缩减电池和超级电容之间的差距。每一种技术都有其优缺点,电力设计人员在开发电力系统时都会考虑到这些优点和缺点。比较锂离子电池和超级电容的关键参数可以发现,超级电容的主要好处之一是它极高的循环性,这意味着它几乎可以充电和放电无数次,这对于电池来说是不大可能的,它的生命周期要短得多。

图3:锂离子电池与超级电容器关键参数比较


不仅仅是大功率应用

不仅仅是兰博基尼“Terzo Millennio”采用了超级电容,让它在这款非常特别的电动跑车的机动化过程中扮演了重要的角色。除了需要大功率的汽车应用外,超级电容还可以为包括IoT设备在内的许多应用提供持久、可靠、紧凑的备份电源。

小型超级电容器具有高循环寿命和快速充放电时间的能力,可以取代钮扣电池,应用从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,例如维护系统实时时钟或易失性存储器时,在断电期间提供电力。

在这些情况下使用超级电容器有助于产品制造商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,有利于小型焊接器件,并消除制造挑战,例如管理电池库存和在交付前插入电池的步骤。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。

音频放大器也可以使用一个超级电容组,它可以将峰值功率传送到低音扬声器。智能电表很可能包含一个超级电容,能够在通过GPRS模块传输存储数据时发送峰值功率。

超级电容几乎无处不在,从上海公交实验到仅靠超级电容供电的公交车队,再到智能电表和能源采集。可以肯定的是,它们维持高充放电周期的能力,使之成为私人和公共电动汽车以及港口起重机等机械积累和再利用能源的理想选择。在许多应用中,当设计师需要峰值功率时,它们就会出现。


多芯结构和电容组

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等优点。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4显示了这种多芯结构如何封装在树脂模塑封装中。或者,外封装可以是密封的金属罐,端子可以是通孔或表面安装。

图4:坚固树脂封装外壳的水性电解质小型超级电容

安全是超级电容器的另一个优点,这就是为什么在受限环境中需要备份或峰值功率时,超级电容器是首选。在恶劣或封闭环境中运行的关键应用严格按照化学和其他危险风险进行管理,减少或禁止某些类型的电池,如锂离子电池。......


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