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对于现代电子设备来说,是选择电池还是超级电容器?

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2022-04-09 09:49:00【

超级电容器为能源储存市场带来的好处是巨大的。但只有少数设计人员注意到这种小巧但又强大的元器件。也许这就是为什么一些分析家认为超级电容器仍是一个小众市场,因较高的价格水平和缺乏对行业的了解而导致无法大规模采用。但越来越多的分析家发现这些设备作为一项成熟技术已得到了越来越广泛的应用。

Transparency Market Research (TMR) 报告中说,亚太地区已于2012年超越了其他所有地区市场,成为全球超级电容器的主要制造地区。在再生制动、HEV、微型混合动力/启停系统和航空航天/军事应用中的发展刺激了超级电容器技术的增长。这些新的创新应用预计能在未来几年内大幅推动全球超级电容器市场。  

超级电容器,也被称为超电容或电子双层电容器 (EDLC),在能源储存系统中扮演着越来越重要的角色。Tesla Motors CEO Elon Musk 认为这些电容器甚至会取代电池技术。是什么让超级电容器有别于其更加常见的同类产品?与电池和燃料电池相比如何?这些增强型电容器的发展市场和应用空间如何?本文将解答这些问题。

 

超导体的差异

 

超级电容器是一种电化学电容器,其能量密度比传统电容器大一个数量级。在单位体积的电容器中储存的能量被称为能量密度。能量密度的计量方式为基于体积的(每单位体积)每升瓦特小时 (Wh/l)

相比电池,超级电容器具有较低内阻,这意味着可实现高功率(图1)。功率密度是指能量输送到负载/从负载吸收能量的速度。

 

图 1:超级电容器的最大功率

 

1:超级电容器的最大功率

 

超级电容器的另一个优势是充电和放电速度快。这些设备通过吸收和释放离子来实现充电和放电。这是由于超级电容器的内部串联电阻较低,可在不损坏零件的情况下实现大电流充放电。

超级电容器的两个主要缺点是每个电池的电压较低,以及不适合交流和高频电路。根据超级电容器的材料成分,电池电压负载可从 2.1 V 4 V。但典型值为 2.7 V。如果应用需要更高的电压,那么必须串联多个电池。

由于时间常数问题,超级电容设备不是特别适合交流和高频电路。对于超级电容器,RC 时间常数具有不同的含义,与普通电容器中所指的过滤器不同。

 

利用 RC 时间常数的一种方式是作为电容器充放电所需时间的计量单位。这些时间对于使用电容器来储存能量的电源和能源应用来说很重要。传统电容器的 RC 时间常数大致为数微秒到数十微秒。相反,超级电容器的 RC 时间常数大约为 1 秒。这个响应时间更慢是因为电容更大(法拉)。

不过,电容更大让超级电容器十分适合储存能量。相比其他储能设备如电池超级电容器的速度非常快。这使得它们十分适合需要储存和释放快速激增能量的应用,如再生制动。

曾经,电容器的能量储存能力相比电池来说微乎其微,从来没有认真考虑过将其作为电池的替代品,”Synopsys 科学家 Jamil Kawa 说道。.“超级电容器大大提高了单位体积的能量储存能力。它尚未达到电池或燃料电池的储能能力,但考虑到它有一些优于电池的特性,因此竞争力已经与电池十分接近。

电池长期以来一直都是能量储存标准。它们怎么会被电容器打败?就算是超级电容器也不太可能吧?首先,电池在几百或上千次循环之后变会失去充电能力。但是,在实际使用中,电容器具有无限的充放电循环寿命。  

其次,电容器的内阻比电池低得多。它们提供的瞬时功率(每单位时间的能源)比电池高。这一点很重要,”Kawa 解释说。尽管电池的能量含量比同等超级电容器高,但后者可提供更高的瞬时功率。

最后,对于具有能量收集机制的物联网 (IoT) 应用,将这种性能强大的储能设备整合到芯片中的能力是一个非常重要的要求。超级电容器和微型电池是满足这些需求的理想之选。

 

超级电容器对比其他储能技术

 

 

超级电容器相比电池,甚至是燃料电池等其他储能设备如何?图 2 提供了直观的对比,电池和超级电容器的每一类别对应功率密度/能量密度矩阵。燃料电池的能量密度最高,但功率密度很低。电池总的来说比超级电容器的能量密度要高,但超级电容器紧随其后,功率密度比电池高一些。

 

图 2:片上储存解决方案中的可充电电池对比超级电容器

 

2:片上储存解决方案中的可充电电池对比超级电容器

 

应用

 

如今,超级电容器可用于稳定波动负载以及为移动电子产品快速充电。此外,这些电容设备可作为电源缓冲,具有缓解电压波动等功能。
 
大型超级电容器正越来越多地用于需要初始高扭矩的工业应用。小型超级电容器,尤其是可以继承在小型模块中的那些超级电容器,将为不可更换电池的应用充电,如能量收集应用。

 

在大多数应用中,超级电容器将不会取代电池,但有可能与之共存。根据 Kawa 的说法,超级电容器设备将用于需要高水平瞬时功率的情况,以及与能量收集技术一样的快速充电应用。无法稳定提供可再生能源时,将需要使用电池来应对黑暗时期

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