超級電容的原理及應用前景

2021-01-08 OFweek維科網


        在這種單層結構中，增加電介質數量來提高容量通常是可行的，方法有三種，即增加封裝寬度和極板尺寸、增加封裝長度和增加極板距離或這兩種方法的組合。這三種方法都將導致電容器的體積變大，這是增加電容容量必須做出的一種犧牲。

        雙電層電容器(EDLC)正如它的字面意義那樣可以解決上述問題，它在相同的封裝內增加了第二個電介層，這個電介層與第一層在中間隔離物的兩邊並行工作(圖3)。EDLC也採用無孔電介質，如活性碳、碳納米管、炭黑凝膠，並選用導電聚合物，其存儲容量要比標準的電解材料高出許多。額外層和更高效電介材料的這種組合能使電容容量提高近4個數量級。
 


        不過，電壓能力是超級電容的薄弱環節，根源在於電介質材料。EDLC中的電介質特別薄，只有納米數量級，因此能產生很大的表面積，從而形成更大的容量。但這些很薄的層不具有傳統電介質理想的絕緣特性，因此要求較低的工作電壓。

超級電容應用

        與標準電容和電池相比，EDLC的多個優點使得它們能成為理想的替代品。這些優點包括：與可重複充電電池相比充放電次數更多，實際效率高達98%，更低的內部電阻，大輸出功率，更好的熱性能，與電池和標準電容相比有更好的安全餘量。

        與所有類型的電池不同，EDLC沒有特殊的處理要求，因此在整個生命周期內都具有環境友好特性。以前又大又笨重的超級電容現在已經有了各種尺寸的產品，可以適合任何應用以及幾乎任何預算。

針對可攜式設備的超級電容

        如前所述，大電容值的超級電容在物理尺寸方面不再是一個障礙。5F以上的超級電容已經開始應用於許多可攜式和手持式產品。在一些案例中，這些元件甚至可以代替給這些產品供電的電池。

        Tecate Group推出了具有多樣配置的多種PowerBurst品牌超級電容器。針對通用的脈衝電源、混合電池和可攜式產品應用，徑向引線的TPL和徑向折彎的TPLS系列雙層電容器分別具有0.5F到70F和100F到400F的容量(圖4)。這兩類器件的電壓額定值都是2.7V，工作溫度範圍是-40℃到65℃。TPL和TPLS系列的最大高度分別是45mm(100F)和60mm(400F)。
 


 


        CAP-XX公司專門針對可攜式市場推出了GS/GW系列單節和雙節超級電容器(圖5)。這些電容提供了電能有限的電池的替代品，壽命非常長，單節配置電壓為2.3V，串聯連接的雙節電容器電壓可達4.5V。
 

 


        這兩種電容的工作溫度範圍都是-40℃到75℃。GW系列產品的外形尺寸為28.5x17mm，電壓4.5V時的電容量最高為0.4F，等效串聯電阻(ESR)低於60 mΩ。GS系列產品的外形尺寸為39x17mm，電壓4.5V的電容量可達0.7F，ESR低至34 mΩ。

        同樣針對緊湊空間設計但可耐更高溫度的CAP-XX公司HS和HW系列電容器具有很薄的外殼，工作溫度範圍是-40℃到85℃(圖6)。在4.5到5.5V電壓範圍內，HW的尺寸為28.5x17mm。在5.5V電壓時的電容量可達0.4F，ESR在5.5V時可低至100 mΩ。
 


        這些元件的厚度範圍從0.9mm到2.9mm不等。電容量可達0.7F的HS系列外形尺寸為39mmx17mm，厚度範圍同樣為0.9mm到2.9mm，最小ESR為55 mΩ。這兩個系列的超級電容可以處理高達20A的脈衝電流，額定的RMS電流為4A。

        Kanthal Globar公司的Maxcap雙層電容器可以用來代替作為存儲器後備電源的電池，具有超過5.5 F/in.3的容積效率、無限的服務壽命、快速充放電能力和非常低的漏電流等特性(圖7)。Kanthal Globar公司還表示，這些電容比電池更安全，在短路時不會爆炸，也不會損壞。這些電容器是非極化器件，不需要限流電阻或過壓保護，因而可以消除裝配錯誤和相關的成本。
 

 

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