详解超级电容，探秘其储能与输电应用的破局潜力
AhmedAlamin产品工程师--电源管理和磁性元器件产品线Abracon 2023年9月 目录 简介 超级电容能取代电池吗？ 超级电容用例与应用领域 超级电容的关键参数 结论 Abracon超级电容 详解超级电容，探秘其储能与输电应用的破局潜力|Abracon 简介 一个多世纪以来，电池一直都是一项成熟的技术，但由于需要比传统电池具有更快充放电周期的储能解决方案，人们开始寻找新的替代方案。虽然传统电容在众多储能解决方案中可提供最快的充放电周期，但它们缺乏电池所具有的高能量密度。储能领域的技术研究催生出一种新型解决方案，那就是超级电容，它弥补了电池和电容在性能方面的差距。 超级电容（也被称为“超级电容器”）的历史可追溯于20世纪50年代通用电气（GeneralElectric）对活性炭电极的研发。尽管在当时我们还没把它们看作是“超级电容”，但不同机构仍遵循相同的思路展开进一步研究，旨在提高电容的能量密度。早期的超级电容面临着诸多挑战，如高ESR、高漏电流以及安全和环境危害。然而，金属氧化物、活性炭、锂离子、石墨烯等不同材料的加入持续推动着它们的演进发展。如今，超级电容的能量密度高达每千克数十瓦时，与普通电容相比提高了100多倍，如图1所示。 什么是超级电容？ 它们与电池和传统电容有何不同？ 传统电容是双端无源电气元件，以电场形式静电储存能量。它们由两个导电表面（也被称为电极）组成，由电介质或绝缘体隔开。 当在电容上施加电压时，电子向其中一个极板迁移，在其上产生净正电荷，并排斥另一极板的电子。由于相反电荷之间的静电引力，正电荷和负电荷将保留在极板上。极板之间的绝缘体可防止因电位差而导致的任何电荷迁移，因此没有电流流过电容。这会在两个极板之间产生电场，该电场将一直持续到外部端子有负载、短路或在电容上施加的电压极性发生变化为止。这一特性是电容储能能力的本质，即使与电压源断开，电容两端的电压也能保持不变。 另一方面，电池以化学形式储存能量。虽然有众多类型的电池利用不同的材料来实现某些特性，但它们所遵循的原理基本相同，即通过阴极、阳极和电解质溶液之间的化学反应来储存和转换化学能及电能。在这种情况下，不存在静电相互作用。 超级电容能取代电池吗？ 超级电容无意取代电池或传统电容。相反，它们是结合了两者特性的中间解决方案。这使其成为需要实现某些具体特性的应用的不二之选，我们将在下一节中进行讨论。 图1显示，与其他储能解决方案相比，电池和燃料电池在一个关键方面表现出色：它们具有高能量密度，这使其能够长时间放电。相反，与任何其他的储能技术相比，电容具有更高的功率密度。这直接对应于每单位时间可以释放或储存的能量，从而实现更快的充放电速率。 超级电容的独特特性是由于其融合了电容和电池的特性，有效地填补了两者之间的空白。尽管电池的功率密度往往高于电容，但长期使用后电池难免产生电压与电量损耗，因此对某些高功率密度应用而言电池并非理想选择。相比之下，电容的充放电速度要快得多，但它们可以储存的能量明显少于电池。超级电容克服了这些限制，它能够提供堪比电池的能量密度以及可与电容匹敌的功率密度。 详解超级电容，探秘其储能与输电应用的破局潜力|Abracon 与电池相比，超级电容可以承受更多次的充电-放电循环（10万次对比锂离子电池的1000次）。此外，它们还可以在更宽泛的温度范围内提供更安全、更环保的解决方案。 值得注意的是，与电池和普通电容相比，超级电容的额定电压较低。为了实现较高电压，需要将超级电容串联组合，这可能需要附加电路来进行平衡和过压/欠压保护。 超级电容用例与应用领域 因其独特的特性和功能，不同行业的各种应用越来越广泛地采用超级电容。它们正在迅速成为传统电池的补充或替代品。在汽车行业，超级电容被用于混合动力和电动汽车（EV），为加速和再生制动系统提供瞬时高功率，其中制动时产生的能量将被输入到超级电容，随后用于为车载电子设备供电。 详解超级电容，探秘其储能与输电应用的破局潜力|Abracon 在可再生能源领域，超级电容越来越多地应用于直流链路系统，以储存和释放太阳能电池板和风力涡轮机的能量，有效提高其效率和可靠性。在消费类电子产品、企业服务器、交换机和基站领域，它们还被用于备份和“最后关头”失能处置电路。此外，在伺服系统和电机等工业应用中，它们还用于在启动过程中提供瞬时大功率。 而且，人们还正在对它们在可穿戴设备、工业物联网设备、航空航天和机器人等新兴领域的应用进行探索。随着技术的不断进步，我们预计超级电容未来将在各个行业中实现创新应用。 超级电容是如何工作的？ 超级电容的结构兼有普通电容和电池的特性。它们包含两个电极、带正电荷和负电荷离子的电解质溶液，以及多孔电解质隔膜（在隔离两个电极的同时允许带电离子穿过）。在充电过程中向超级电容施加电压时，电解质混合物中的负电荷离子被吸引到阳极。由于离子无法迁移出溶液，因此在电极和电解质之间的表面会产生一层电荷量相等但电性相反的电荷，这一现象称为称为亥姆霍兹层。而且在另一个电极的表面上也会形成类似的层，因此这个超级电容也被称为“双电层电容”（EDLC）。 各种类型的超级电容因制造技术、材料和物理结构等因素而有所不同。然而，我们通常可以把它们分为三大类：双电层电容（EDLC）、赝电容和混合电容。这些类别之间的主要区别在于电容储存能量的机制。如前所述，EDLC以电场形式将能量储存在亥姆霍兹层中。赝电容具有相似的结构，但两个电极均采用导电聚合物和金属氧化物等材料。这样便可以通过氧化还原反应在电解质中的带电离子和电极材料表面之间实现插层。混合电容采用了一种稍微不对称的能量储存方法。阴极的设计与EDLC类似，在电极表面（通常由活性炭材料制成）和电解质之间以静电方式储存能量。相反，阳极通过构造可通过可逆氧化还原反应和离子插层以电化学方式储存能量。锂离子电容（LiC）是该类电容的示例之一。 超级电容的关键参数 电容（F）： 指电容储存电能的能力，或者说每单位电位差所能容纳的电荷量。电容具有指定的电容容差范围，该容差范围根据电容的材料和类型而变化。然而，其他工作条件（例如温度、频率和电压）也会影响电容。 额定电压（V）： 指电容可以承受的最大持续电压，而且不会因两个电极之间的电介质或绝缘击穿而导致永久性损坏。与传统电容相比，超级电容的额定电压范围通常较低。虽然EDLC可以放电至零伏，但某些类型的超级电容（通常是混合电容）存在最低工作电压限制，低于该电压时它们可能会受到损坏并迅速失去原有容量。为了防止电压降至最低限度以下，当用于串联和保护时，需要借助电路来平衡电压。 额定温度： 超级电容具有特定的温度范围，在此范围内它们可以安全运行且不会出现故障。工作温度根据其构造中使用的材料类型而变化。然而，大多数电容的额定温度值在-40至70°C之间。温度会影响超级电容的性能，包括电容和ESR。除此以外，大电流还会使超级电容的本体温度升高到环境温度以上。 漏电流（DCL）（uA）： 由于超级电容的电介质或电解质的电阻不是无限大，一些电荷会在两个电极之间迁移，产生微安级电流流过电容。该过程会逐渐减小电容两端的电场和电位差，从而随着时间的推移缓慢放电。超级电容的自放电率通常由制造商指定，方法是将超级电容保持在额定电压下一段指定时间（通常为72小时），然后测量通过它的电流。该速率可能受到温度和湿度等因素的影响。选择这一时间长度是为了使超级电容尽可能地接近其满容量，此时电流是由于泄漏而流动，并不是由于充电过程而流动。 等效串联电阻（ESR）： 等效串联电阻（ESR）以欧姆为单位测量，是电容针对通过它的电流表现出的固有内阻。虽然理想电容的ESR为零，但由于电介质和电极材料的物理和化学特性，实际电容都会存在ESR。在为高电流应用选择电容时，设计人员必须谨慎小心，因为损耗与ESR成正比。这些损耗可能表现为电容温度随时间的推移而升高，而高ESR可能会导致电压下降，从而导致需要最小电压的应用（例如直流转换器和失能处置电路）出现稳压问题。我们通常在特定频率和温度下测量ESR，因为这些因素可能导致ESR发生较大变化。因此，高电流设计必须考虑预期环境条件下的ESR变化。值得注意的是，ESR的测量有多种定义和方法，这具体取决于所使用的标准。大多数数据表都指定了IEC62391-1标准，该标准测量满电时的电容通过预定义恒流负载放电时的瞬时压降。然后使用如下等式： 峰值电流（A）： 通常情况下，没有电流流过电容，因此没有指定电容的额定电流。然而，有时它在超级电容数据表中被指定为在预定义时间内（通常为1秒或5秒）将超级电容从其额定电压（UR）放电至（UR/2）所需的电流。 最大能量储存（Wh）： 它被定义为超级电容可以储存的最大能量。可使用以下等式轻松计算： 该等式用于根据应用的功率和放电时间要求计算所需的超级电容数量。 功率密度（W/Kg）： 用于估计超级电容每单位质量所能提供的功率大小。 重量能量密度（Wh/Kg）： 也被称为“比能量”，它显示出超级电容每单位质量所能储存的能量。 体积能量密度（Wh/L）： 显示超级电容每单位体积所能储存的能量。除了重量能量密度，这些品质因数也有助于设计人员根据最终应用的尺寸或重量约束条件来对可用的替代方案进行比较。 详解超级电容，探秘其储能与输电应用的破局潜力|Abracon 结论 超级电容结合了传统能源解决方案的特点，提供了一种独特的能源解决方案。由于其具有高功率密度、快速充放电能力、相对于电池更长的使用寿命以及环境安全特性，因此它们很有可能彻底改变众多不同领域的能量储存和电力输送方式。 Abracon超级电容 Abracon提供各种径向超级电容，其利用业界最新的双电层电容（EDLC）技术来实现高能量和高功率密度。由于Abracon超级电容能够提供出色的高能量和高功率密度性能，因此可以将其应用于需要快速充放电或需要持久功率输出的应用。Abracon超级电容可以在低至-40°C的温度范围内运行，这是传统电池无法实现的。除此以外，这些超级电容的使用寿命也更长，同时减少了锂电池的安全隐患。这些特性使这些器件理想适用于不间断电源和备用电源、微型储能、LoRA/BLE/Zigbee数据传输以及各种能源启动设计等用例。Abracon超级电容是无线网络、能量收集、冷裂发动机、微电网等领域的完美解决方案。 此外，面向需要更严格的电气和/或机械性能的超级电容，或其设备需满足特定环境的客户，Abracon还可提供定制解决方案。 下表提供了Abracon目前在售的一些超级电容系列产品的简介。如需了解有关这些产品的更多信息或咨询采购事宜，请联系Abracon授权代理商，或单击此处了解更多信息。 参考资料 [1]:Materialscientist,“Power-energyforenergystoragesystems.png.”[Online].Available:http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Materialscientist [2]:Elcap,“Charge-Discharge-Supercap-vs-Battery.png.”[Online].Available:https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25527453 [3]Khawaja,Mohamad&Khanfar,M.F.&Oghlenian,Talin&Alnahar,Waed.(2019).FabricationandElectrochemicalCharacterizationofCarbon-BasedSupercapacitorElectrodes.1-4.10.1109/IREC.2019.8754605.
