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“任性”的超級(jí)電容,選型可不能任性?
發(fā)布時(shí)間:2020-03-12 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】但凡名稱前被冠以“超級(jí)”二字,必有其“任性”之處,因?yàn)槠渫ǔT谀承┓矫娴哪芰蛐阅埽屍渌惒豢赏漤?xiàng)背,從而在特定場(chǎng)合能扮演超級(jí)角色。比如“超人”,就可不受物理定律的限制,任性到令愛因斯坦無語。
當(dāng)然,今天我們要討論的超級(jí)電容,仍然符合物理定律,但由于其在一些關(guān)鍵性能指標(biāo)上能夠超越普通電容幾個(gè)量級(jí),所以在不少應(yīng)用領(lǐng)域上幾乎可以任性到獨(dú)步天下的地步。
超級(jí)電容為什么“超級(jí)”?
雙電層電容(EDLC,Electrochemical Double-Layer Capacitor)是一種電化學(xué)電容,之所以被稱作“超級(jí)”電容,主要是因?yàn)樗母吣芰棵芏忍攸c(diǎn),與傳統(tǒng)的電解電容相比,其容量高出幾個(gè)量級(jí)。這個(gè)優(yōu)勢(shì)源于超級(jí)電容比較特殊的結(jié)構(gòu)。
在傳統(tǒng)的電容中,電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng),當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì),則阻礙了電荷移動(dòng)而使得其累積在導(dǎo)體上,造成電荷的累積儲(chǔ)存,儲(chǔ)存的電荷量稱為電容量。
而超級(jí)電容,可以簡(jiǎn)單地被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無反應(yīng)活性的多孔電極板。在電極板上加電,電解質(zhì)中相反極性的離子就會(huì)在電極板兩側(cè)形成兩個(gè)緊密的電荷層,近似于平板電容產(chǎn)生電容效應(yīng),達(dá)到儲(chǔ)能的目的。
電極上形成的緊密電荷層間距比普通電容的電荷層間距小得多,而且由于電容儲(chǔ)能容量的大小與電極的平面面積正相關(guān),超級(jí)電容電極表面多采用多孔的活性炭材料,有效面積是光滑表面的數(shù)萬倍,因此,超級(jí)電容的儲(chǔ)存能量的能力(靜電容量)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的電容。
圖1:典型超級(jí)電容示意圖 (圖片來源:維基網(wǎng))
1.電源,2.集電極,3.電極,
4.Helmholtz層,5.電解液,6.分隔
超級(jí)電容沒有傳統(tǒng)的電介質(zhì),而是使用絕緣體隔開。這個(gè)絕緣層可以讓電解液中的正負(fù)離子通過。該電解液本身不傳導(dǎo)電子,所以當(dāng)充電結(jié)束后,電容內(nèi)部不會(huì)發(fā)生漏電;放電時(shí),電極上的電子通過外部電路從一極流向另外一極,其結(jié)果是電極與電解液中的離子吸附顯著降低,電解液中的正負(fù)離子又重新均勻分布開來。
這樣特殊的架構(gòu),決定了超級(jí)電容和一般電容以及其它儲(chǔ)能技術(shù)相比,在諸多性能方面都擁有絕對(duì)可以任性的資本,以至于被冠以“超級(jí)”頭銜。
表1:超級(jí)電容、電容和充電電池等儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比
○ 電容量:超級(jí)電容最為“任性”的性能參數(shù)是電容量。超級(jí)電容的容量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電容,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池大小的電解電容的容量為幾十微法,同樣大小的超級(jí)電容的容量范圍在0.1F至幾千F(甚至上萬F),差別可達(dá)五個(gè)數(shù)量級(jí)。
○ 充電速度:超級(jí)電容的充電速度極快,通常達(dá)到額定容量的95%只需要數(shù)秒至10分鐘內(nèi)即可,比電池充電時(shí)間小二至三個(gè)量級(jí),絕對(duì)秒殺充電電池。
○ 超長(zhǎng)壽命:超長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命也是超級(jí)電容最為任性的參數(shù)之一。其充放電循環(huán)使用次數(shù)最高可達(dá)數(shù)十萬次,高出充電電池兩個(gè)數(shù)量級(jí),并使得每個(gè)充放周期成本大大低于電池。而且,與二次電池相比,超級(jí)電容沒有過充危險(xiǎn),沒有“記憶效應(yīng)”,電極也不會(huì)發(fā)生腐蝕。
○ 功率密度:盡管超級(jí)電容的能量密度不及電池的一成,但是其功率密度卻非常“任性”,高至電池的10至100倍。因?yàn)榉逯荡箅娏鞣烹娔芰Τ瑥?qiáng),充放電能量轉(zhuǎn)換效率高。
此外,與充電電池相比,超級(jí)電容還有成本較低、放電電壓恒定、外部電路簡(jiǎn)單、低溫特性好、更環(huán)保等特點(diǎn),因此在諸多儲(chǔ)能應(yīng)用中備受青睞。
呼之欲出的市場(chǎng)應(yīng)用
正是由于認(rèn)識(shí)到超級(jí)電容的這些價(jià)值,近年來它的應(yīng)用也日漸趨熱。
汽車和交通運(yùn)輸無疑將是未來十年超級(jí)電容的第一大應(yīng)用市場(chǎng)。超級(jí)電容充電速度快、提供脈沖功率、安全、沒有昂貴的材料、報(bào)廢時(shí)無需特殊處理等特性,使其成為未來電動(dòng)汽車進(jìn)一步提升續(xù)航里程重要的技術(shù)選項(xiàng)。
在新能源汽車中,利用超級(jí)電容快速充放電的特性,還可以和電池配合形成智能啟??刂葡到y(tǒng)——超級(jí)電容可迅速高效地吸收電動(dòng)汽車制動(dòng)產(chǎn)生的再生動(dòng)能完成充電,而在加速和爬坡時(shí)放電,為智能啟??刂葡到y(tǒng)電機(jī)提供電能,延長(zhǎng)電池的使用壽命。類似的思路也可用在火車和地鐵等軌道交通的剎車制動(dòng)系統(tǒng),以及啟動(dòng)停止操作頻繁的工業(yè)領(lǐng)域中,實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
在能源電力領(lǐng)域,后備電源是超級(jí)電容一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景:它可以在線路失電時(shí),為開關(guān)設(shè)備提供可靠的電源支持;也可以在低負(fù)荷時(shí)儲(chǔ)存電能,而在高負(fù)荷時(shí)輸出電能,滿足微電網(wǎng)用電需求,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
在新興的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,超級(jí)電容可以與能量收集技術(shù)配合使用,成為使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、低成本的儲(chǔ)能解決方案。此外在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中,超級(jí)電容也為各種便攜產(chǎn)品提供穩(wěn)壓或充當(dāng)電源,比如為內(nèi)置的閃光燈進(jìn)行快速充電。
隨著人們對(duì)其應(yīng)用開發(fā)的不斷深化,超級(jí)電容更大的潛力正在釋放出來,這也會(huì)給銳意創(chuàng)新的開發(fā)者提供更多“任性”發(fā)揮的空間。
選擇一顆理想的超級(jí)電容
當(dāng)然,設(shè)計(jì)創(chuàng)意上的“任性”發(fā)揮,并不意味著你在超級(jí)電容選擇上可以任性隨便。找一個(gè)可靠的供應(yīng)商、挑選一顆滿足設(shè)計(jì)所需的超級(jí)電容,仍然是開發(fā)者必須邁出的堅(jiān)實(shí)的第一步。
AVX公司的超級(jí)電容就是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇!AVX提供的多個(gè)系列的超級(jí)電容產(chǎn)品,都巧妙地融合了高電容、低ESR和低電流、出色的脈沖功率處理能力等特性,在眾多競(jìng)品中表現(xiàn)搶眼;而且根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要,AVX超級(jí)電容已經(jīng)形成完整的產(chǎn)品系列,并有了很多成功的商業(yè)案例,成為儲(chǔ)能和脈沖電源等應(yīng)用的理想選擇。
AVX的SCC系列柱式超級(jí)電容看起來和普通的電解電容很相似,但電容值最高可達(dá)3000F,提供2.7V或3V的額定電壓,這些電容的工作溫度可高達(dá)85°C,帶電壓降額。SCC系列可提供更長(zhǎng)的備份時(shí)間和更長(zhǎng)電池壽命,并能根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖,相關(guān)應(yīng)用包括能量采集、UPS/工業(yè)、無線警報(bào)和遠(yuǎn)程計(jì)量等。
SCC系列超級(jí)電容
產(chǎn)品特點(diǎn)
○ 電容值范圍為1F~3000F
○ 高脈沖功率處理能力
○ 低ESR
○ 低漏電流
○ 工作溫度高達(dá)85°C,帶電壓降額
○ 提供更長(zhǎng)備份時(shí)間和更長(zhǎng)電池壽命
○ 能根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖
典型應(yīng)用
○ 相機(jī)閃光燈系統(tǒng)
○ 能量采集
○ GSM/GPRS脈沖應(yīng)用
○ UPS/工業(yè)
○ 無線警報(bào)
○ 遠(yuǎn)程計(jì)量
○ 掃描儀
○ 玩具和游戲
在SCC系列基礎(chǔ)上,AVX還推出了SCC LE產(chǎn)品系列,所謂LE就是低ESR(Low ESR)的意思,該系列產(chǎn)品的ESR都在毫歐級(jí)的水平,其中的SCCY1AB857PLBLE 在1000 Hz時(shí)的ESR甚至低至0.8mΩ。
SCC LE系列超級(jí)電容
產(chǎn)品特點(diǎn)
○ 電容值范圍為3.3F~850F
○ 高脈沖功率處理能力
○ 超低ESR(毫歐級(jí))
○ 低漏電流
○ 提供更長(zhǎng)備份時(shí)間和更長(zhǎng)電池壽命
○ 能根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖
典型應(yīng)用
○ 電力保持模塊
○ 能量采集
○ UPS/工業(yè)
○ 機(jī)器人電源
○ 大脈沖電流應(yīng)用
AVX的SCM系列是串聯(lián)的超級(jí)電容模組,它可用于更高電壓的應(yīng)用,額定電壓從5V到9V。該系列電容的電容范圍為0.47F至7.5F。
SCM系列超級(jí)電容
產(chǎn)品特點(diǎn)
○ 電容范圍為0.47F~7.5F
○ 高脈沖功率能力
○ 低ESR
○ 低漏電流
○ 塑料防潮版本
○ 工作溫度高達(dá)85°C,帶電壓降額
○ 提供更長(zhǎng)的備份時(shí)間和更長(zhǎng)電池壽命
○ 能根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖
典型應(yīng)用
○ 相機(jī)閃光燈系統(tǒng)
○ 能量采集
○ GSM/GPRS脈沖應(yīng)用
○ UPS/工業(yè)
○ 無線警報(bào)
○ 遠(yuǎn)程計(jì)量
○ 掃描儀
○ 玩具和游戲
上述的AVX的系列超級(jí)電容既可單獨(dú)使用,也可與一次或二次電池結(jié)合使用,成為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能源管理方案的利器。
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