超級(jí)電容器基本概念

會(huì)計(jì)學(xué)1超級(jí)電容器基本概念超級(jí)電容器的主要特性

額定容量：?jiǎn)挝唬悍ɡ‵），測(cè)試條件：規(guī)定的恒定電流充電到額定電壓后保持2-3分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時(shí)間與電流的乘積再除以額定電壓值，即：由于等效串聯(lián)電阻（ESR）比普通電容器大，因而充放電時(shí)ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略。第1頁/共25頁額定電壓：可以使用的最高安全端電壓（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久將來的3V），除此之外還有承受浪涌電壓電壓（可以短時(shí)承受的端電壓，通常為額定電壓的105%），實(shí)際上超級(jí)電容器的擊穿電壓遠(yuǎn)高于額定電壓（約為額定電壓的1.5-3倍左右，與普通電容器的額定電壓/擊穿電壓比值差不多。

額定電流：5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，除此之外還有最大電流（脈沖峰值電流）最大存儲(chǔ)能量：在額定電壓是放電到零所釋放的能量，以焦耳（J）或瓦時(shí)（Wh）為單位

能量密度：最大存儲(chǔ)能量除以超級(jí)電容器的重量或體積（Wh/kg或Wh/l）

功率密度：在匹配的負(fù)載下，超級(jí)電容器產(chǎn)生電/熱效應(yīng)各半時(shí)的放電功率，用kW/kg或kW/l表示。第2頁/共25頁

壽命：在25℃環(huán)境溫度下的壽命通常在90000小時(shí)，在60℃的環(huán)境溫度下為4000小時(shí)，與鋁電解電容器的溫度壽命關(guān)系相似。壽命隨環(huán)境溫度縮短的原因是電解液的蒸發(fā)損失隨溫度上升。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。

循環(huán)壽命：20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇時(shí)間：10秒為一個(gè)循環(huán)。一般可達(dá)500000次。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。第3頁/共25頁等效串聯(lián)電阻：測(cè)試條件：規(guī)定的恒定電流（如1000F以上的超級(jí)電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）和規(guī)定的頻率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。通常交流ESR比直流ESR小，隨溫度上升而減小。超級(jí)電容器等效串聯(lián)電阻較大的原因是：為充分增加電極面積，電極為多孔化活性炭，由于多孔化活性炭電阻率明顯大于金屬，從而使超級(jí)電容器的ESR較其它電容器的大。

工作與存儲(chǔ)溫度：通常為-40℃-60℃或70℃，存儲(chǔ)溫度還可以高一些。

漏電流：一般為10μA/F返回第4頁/共25頁超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)超級(jí)電容器和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路。超級(jí)電容器不同于電池，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它可能優(yōu)于電池。有時(shí)將兩者結(jié)合起來，將電容器的功率特性和電池的高能量存儲(chǔ)結(jié)合起來，不失為一種更好的途徑。超級(jí)電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。超級(jí)電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某?jí)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量。在一些功率決定能量存儲(chǔ)器件尺寸的應(yīng)用中，超級(jí)電容器是一種更好的途徑。超級(jí)電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。超級(jí)電容器可以快速充電而電池快速充電則會(huì)受到損害。超級(jí)電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾百個(gè)循環(huán)。第5頁/共25頁超級(jí)電容器和蓄電池性能比較條件蓄電池超級(jí)電容器電化學(xué)位變化由活性物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)決定隨活性物質(zhì)的變化而變化充放電電極電位變化如果不發(fā)生非熱力學(xué)過程或物相變化電極電位保持不變電極電位隨充電狀態(tài)而發(fā)生變化電量?jī)?chǔ)存方式非電容性電容性恒電位變化時(shí)得不到恒流曲線可得恒流曲線呈線性變化恒流放電時(shí)電位變化基本不變呈線形變化比能量20-200Wh/kg0.2-20Wh/kg比功率<500W/kg102-104W/kg充放電次數(shù)<104

>105返回第6頁/共25頁超級(jí)電容器分類超級(jí)電容器的類型比較多，按不同方式可以分為多種產(chǎn)品，以下作簡(jiǎn)單介紹。按原理分為雙電層型超級(jí)電容器和贗電容型超級(jí)電容器：雙電層型超級(jí)電容器，包括

1.活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過成型制備電極。2.碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經(jīng)過增強(qiáng)，噴涂或熔融金屬增強(qiáng)其導(dǎo)電性制備電極。3.碳?xì)饽z電極材料，采用前驅(qū)材料制備凝膠，經(jīng)過炭化活化得到電極材料。4.碳納米管電極材料，碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優(yōu)良的超級(jí)電容器電極。第7頁/共25頁以上電極材料可以制成：

1.平板型超級(jí)電容器，在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級(jí)電容器，可以達(dá)到300V以上的工作電壓。2.繞卷型溶劑電容器，采用電極材料涂覆在集流體上，經(jīng)過繞制得到，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度贗電容型超級(jí)電容器：

包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負(fù)極材料制備的超級(jí)電容器，導(dǎo)電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極，以此制備超級(jí)電容器。這一類型超級(jí)電容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它類型多處于研究階段，還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。第8頁/共25頁按電解質(zhì)類型可以分為水性電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)類型：水性電解質(zhì)，包括以下幾類

1.酸性電解質(zhì)，多采用36％的H2SO4水溶液作為電解質(zhì)。2.堿性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強(qiáng)堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑。3.中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。有機(jī)電解質(zhì)通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì)，有機(jī)溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機(jī)溶劑作為溶劑，電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度另外還可以分為：

1.液體電解質(zhì)超級(jí)電容器，多數(shù)超級(jí)電容器電解質(zhì)均為液態(tài)。2.固體電解質(zhì)超級(jí)電容器，隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的發(fā)展，應(yīng)用于超級(jí)電容器的電解質(zhì)也對(duì)凝膠電解質(zhì)和PEO等固體電解質(zhì)進(jìn)行研究返回第9頁/共25頁超級(jí)電容器國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀超級(jí)電容器通常耐壓為2.5-3V，也有耐壓為1.6V的產(chǎn)品。主要有美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯和中國(guó)等國(guó)家生產(chǎn)。比較知名的公司有：Maxwell、Epcos、Nesscap、ELNA、NEC、松下等。我國(guó)有錦州超容等企業(yè)，從容量上看有機(jī)系的國(guó)外達(dá)到2.7V/5000F，國(guó)內(nèi)的錦州超容接近這一水平。超級(jí)電容器體積在逐年減小，120F/2.7V已做到直徑20毫米高40毫米，3F/2.7V直徑8毫米高20毫米。ESR在小容量中接近0.3Ω.F，大容量接近0.45Ω.F，0.5Ω.F。能量密度和功率密度分別達(dá)到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l。循環(huán)壽命和壽命分別達(dá)到500000次和90000小時(shí)。第10頁/共25頁Maxwell國(guó)外第11頁/共25頁第12頁/共25頁NESSCAPSizeRatedVoltage

(V,DC)RatedCapacitance

(F)MAXESR

(mΩ)Dimension(mm)Volume

(ml)Weight

(g)PartNumberACDLWTSmall2.35<1231020

1.62.4ESLSR-0005C0-002R32.37<35830

1.52.2ESLLR-0007C0-002R32.310<701030

2.43.6ESLSR-0010C0-002R32.325<381625

5.07.6ESLSR-0025C0-002R32.360<231840

10.213.5ESLSR-0060C0-002R32.73<61820

1.01.5ESHSR-0003C0-002R72.75<291020

1.62.3ESHSR-0005C0-002R72.76<26830

1.52.3ESHSR-0006C0-002R72.710<261030

1.53.2ESHSR-0010C0-002R72.725<211625

1.06.5ESHSR-0025C0-002R72.750<141840

1.511.3ESHSR-0050C0-002R7第13頁/共25頁Medium2.3120<162245

17.123ESLSR-0120C0-002R32.790<62245

17.121.5ESHLR-0090C0-002R72.7100<92245

17.121ESHSR-0100C0-002R72.7360<3.23562

6067ESHSR-0360C0-002R7ALarge

Prismatic2.7600<0.64

906028151210ESHSP-0600C0-002R72.71700<0.50

1656028277385ESHSP-1700C0-002R72.73500<0.28

1656052515685ESHSP-3500C0-002R72.75000<0.25

1656072713930ESHSP-5000C0-002R7第14頁/共25頁LargeCylindricalWeldable2.7650<0.5060.251.5

164205ESHSR-0650C0-002R7A52.71200<0.4060.274

228280ESHSR-1200C0-002R7A52.71600<0.3460.285

259335ESHSR-1600C0-002R7A52.72000<0.2860.2102

307390ESHSR-2000C0-002R7A52.73000<0.2260.2138

410530ESHSR-3000C0-002R7A5Large

CylindricalThreaded2.7650<0.5060.252.5

223210ESHSR-0650C0-002R7A5T2.71200<0.4060.275

288285ESHSR-1200C0-002R7A5T2.71600<0.3460.286

319340ESHSR-1600C0-002R7A5T2.72000<0.2860.2103

367395ESHSR-2000C0-002R7A5T2.73000<0.2260.2139

470535ESHSR-3000C0-002R7A5T第15頁/共25頁NECDimensionsMarkingsPartNumberMax.NorminalCapacitanceMax.ESRLMaxWMaxTMaxZPRatedvoltage(F)(at1kHz)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(Vdc)

(mΩ)

HPSL0G223ZL4.20.02230034142.32.57.5±0.5HPSN0G473ZL4.20.04720042.5172.3310±0.5第16頁/共25頁CAP-XXGSeries:GeneralPurposeSupercapacitors

(operatingtemperaturerange:-40°Cto+70°C)1NominalVoltage

(V)Dimensions

(mm)Product

FamilyDCcapacitance2

(mF±20%)4ESR3

(mΩ±20%)4Max.Thickness

(mm)4.5V20.0x15.0GZ2751502.6028.5x17.0GW2140-55050-702.20-3.5039.0x17.0GS2250-120028-402.20-3.802.3V20.0x15.0GZ1150751.2528.5x17.0GW1280-110026-361.10-1.7039.0x17.0GS1500-240014-201.10-1.85返回第17頁/共25頁超級(jí)電容器測(cè)試目前國(guó)內(nèi)尚無用于超級(jí)電容器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，我部門現(xiàn)行測(cè)試參考Maxwell測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電容器測(cè)試參數(shù)影響較大，故國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電容器法拉數(shù)及ESR與國(guó)外同類產(chǎn)品有所差別（參照Mxwell反饋數(shù)據(jù)）。第18頁/共25頁SelfDischargeShortCircuitDropLeakageCurrentRenversePolarityLowPressureHighPressureThermalcyclingDClifeCyclinglifeOvervoltagewithlowcurrentOvervoltagewithh?ghcurrentMechanicalCrushMechanicalNailPenetrationThermalShockMechanicalVibration&ShockMaxwell執(zhí)行測(cè)試，測(cè)試方法如：返回第19頁/共25頁R2：TC&Lid焊接產(chǎn)生的電阻R4：TC&JR焊接產(chǎn)生的電阻R6：電解液和極組反應(yīng)產(chǎn)生的電阻R8：BC&JR焊接產(chǎn)生的電阻R10：BC&can焊接產(chǎn)生的電阻R11：can自身的電阻R1：lid自身的電阻R3：TC自身的電阻R5：JR自身的電阻R7：電解液自身的電阻R9：BC自身的電阻超級(jí)電容器性能相關(guān)因素第20頁/共25頁R4(TC&lid焊接的電阻),R8(BC&JR焊接的電阻),R10(BC&can焊接的電阻)為激光焊接影響因素，如出現(xiàn)虛焊、弱焊直接導(dǎo)致ESR和Cap不良電解液對(duì)ESR和C