毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥

目前超级电容器的发展趋势是取代可充电电池, 为基于纳米技术的能源储存提供了一种新的方法。

与电池不同, 超级电容器可以在几秒钟内充电, 并且能够承受几乎无限的充电周期。超级电容器的能量密度高于传统电容器, 但比物联网设备等电子产品中使用的标准电池具有更低的能量密度。

 

两个 kemet 超级电容器的图像, fr0h224zf (左) 和fyd0h223zf (右), 由digi-key提供

 

 

理论上可以用超级电容器取代电池, 但更换整节电池需要大量的容量。然而, 随着稳步的进展, 超级电容器在汽车行业等许多应用市场上获得了吸引力, 为网络储能等新兴产业开辟了新的可能性。

 

什么是超级电容器？

超级电容器 (有时称为 scc) 是一种电化学设备, 能够快速存储和提供大功率电力, 并在大量循环 (多达数百万次循环) 下运行, 而不会显示性能衰减。

最简单的超级电容器主要由两个电极和一个与之插入的电解质组成。电荷设置在电极/电解质界面中, 不存在化学氧化还原过程。由于积累的物理过程是有限的, 材料必须有较高的表面积才能积累大量的电荷。

超级电容器是一种双层电容器, 具有非常高的容量, 但具有较低的电压限制。与电容器相比, 超级电容器具有更大的存储电量的面积, 电容进入 farad (f) 范围, 并且比电解电容器存储更多的能量。它们具有较低的泄漏电流, 适用于许多可在 1.8 v-2.5 v 范围内运行的应用。超级电容器的使用寿命为 10-20年, 但大约8-10年后, 容量可能会从100% 降低到80%。

由于其低等效串联电阻 (esr), 超级电容器提供高负载电流和快速充电。微型超级电容器是类似 mems的设备, 可承受反复弯曲, 因此适用于柔性应用。这是可穿戴设备和物联网应用的理想之选。柔性固态微超级电容器玻璃、硅和纸张基板正在开发中。

当对超级电容器施加电压时, 表面会产生两个独立的电荷层, 其分离距离小于传统电容器。这就是为什么超级电容器通常被称为双层电容器或 edlc。

 

超级电容器与标准电容器的比较。来自麦克斯韦的公平电子的图像

 

超级电容器和电池的区别是什么？

长期以来, 电池一直是储能的主要形式。如何克服他们的电容器, 即使是 "超级" 品种？

首先, 电池逐渐失去了充电的能力, 而电容器提供了几乎无穷无尽的充电和放电周期。

其次, 与电池相比, 电容器的内阻非常低。它们可以提供比电池更多的瞬时功率。

对于具有能源供应机制的物联网 (iot) 应用, 将如此强大的储能设备集成到芯片中的能力是一项基本要求。超级电容器和微型电池是满足这些需求的两种工具。

 

四种储能技术的功率密度和能量密度。《国际科学 & 工程研究杂志图片》, 第4卷, 第8期, 2013年8月 583

 

除了几乎所有的电动车外, 锂离子电池几乎为所有现代便携式电子设备提供动力。对于电池, 充电和放电过程缓慢, 随着时间的推移, 会使电池内的化合物降解, 从而降低功率密度和存储容量。

超级电容器使用不同的储能机制。在超级电容器中, 能量被静电地储存在材料表面, 不涉及化学反应。超级电容器的主要缺点是与电池相比能量密度低。此外, 超级电容器材料 (如石墨烯) 的成本往往超过电池制造中使用的材料的成本。

 

超级电容器的应用

超级电容器可与安装在狭小空间中的能量收集解决方案配合使用。当它们被用作峰值输出的辅助电源时, 您可以减小电源的大小并提高整体性能。

以下是超级电容器的一些可能应用:

  • 在发生电源故障时存储和备份内存数据:超级电容器可集成到消费类电子产品、it 设备和通信系统中, 以保护内存内容。相关的应用程序是内部备份电源。超级电容器可以作为电池更换或短期备用电源。
  • 电动汽车:电动汽车受低功耗、充电循环有限、温度依赖性高、充电时间长等限制。超级电容器克服了这些限制, 尽管它们具有较低的能量密度和更高的成本。存储设备的组合可能是首选解决方案。与加速度或陡坡上的努力相关的峰值负载要求可通过超级电容器组等大功率器件来满足。此外, 超级电容器还可用于再生制动系统。
  • 可再生能源应用:在太阳能光伏应用中, 有必要每3-7年更换一次电池, 因为电池往往会磨损。使用超级电容器可以消除频繁维护和更换的需要。此外, 能源效率是以可再生能源生产能源的一个关键方面, 超级电容器比电池具有更高的充电效率。

 

结论

超级电容器是一种新兴的储能技术, 可以成为许多电子系统的重要组成部分。锂离子电池已经非常成功, 但在功率密度和充放电循环次数方面, 它们永远无法与超级电容器竞争。