超級電容器-基本概念

1、Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential超級電容器研究 超級電容器的主要特性 超級電容器優(yōu)勢 超級電容器分類 超級電容器發(fā)展現(xiàn)狀 超級電容器測試 超級電容器性能相關(guān)因素 超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential超級電容器的主要特性 額定容量： 單位：法拉（F），測試條件：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

2、（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。 Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential 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） 最大存儲能量： 在額定電壓是放電到零所

3、釋放的能量，以焦耳（J）或瓦時(shí)（Wh）為單位 能量密度： 最大存儲能量除以超級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。Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential 壽命： 在25環(huán)境溫度下的壽命通常在90 000小時(shí)，在60的環(huán)境溫度下為4 000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)

4、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。Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential 等效串聯(lián)電阻： 測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1 000F以上的超級電容器規(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。 超級電容器等效串聯(lián)電阻較大的原因是

5、：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，從而使超級電容器的ESR較其它電容器的大。 工作與存儲溫度： 通常為-40-60或70，存儲溫度還可以高一些。 漏電流： 一般為10A/F返回Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential超級電容器優(yōu)勢超級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結(jié)合起來，不失為一種更好的途徑。超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電

6、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。超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。超級電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰俊Ｔ谝恍┕β蕸Q定能量存儲器件尺寸的應(yīng)用中，超級電容器是一種更好的途徑。超級電容器可以反復(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。超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾百個(gè)循環(huán)。Lishen Battery

7、 Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential超級電容器和蓄電池性能比較超級電容器和蓄電池性能比較條件蓄電池超級電容器電化學(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)生變化電量儲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/kg 0.2-20 Wh/kg比功率500 W/kg102 -104 W/kg充放電次數(shù)105返回Lishen Battery Joint-Stoc

8、k Co., Ltd.Proprietary Confidential超級電容器分類 超級電容器的類型比較多，按不同方式可以分為多種產(chǎn)品，以下作簡單介紹。 按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器： 雙電層型超級電容器，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)良的超級電容器電極。

9、Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential 以上電極材料可以制成： 1.平板型超級電容器，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)極材料制備的超級電容器，導(dǎo)電聚合物材料

10、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，以此制備超級電容器。這一類型超級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)。Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential 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

11、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)超級電容器，多數(shù)超級電容器電解質(zhì)均為液態(tài)。 2.固體電解質(zhì)超級電容器，隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的發(fā)展， 應(yīng)用于超級電容器的電解質(zhì)也對凝膠電解質(zhì)和PEO等固體電 解質(zhì)進(jìn)行研究返回Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential超級電容器國外發(fā)展現(xiàn)狀 超級電容器通常耐壓為2.5

12、-3V，也有耐壓為1.6V的產(chǎn)品。 主要有美國、德國、日本、韓國、俄羅斯和中國等國家生產(chǎn)。 比較知名的公司有：Maxwell、Epcos、Nesscap、ELNA、NEC、松下等。我國有錦州超容等企業(yè)，從容量上看有機(jī)系的國外達(dá)到2.7V/5 000F，國內(nèi)的錦州超容接近這一水平。 超級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0.3.F，大容量接近0.45.F，0.5.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500 000

13、次和90 000小時(shí)。Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary ConfidentialMaxwell國外Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary ConfidentialLishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary ConfidentialNESSCAPSizeRated Voltage(V, DC)Rated Capacitance(F) MAX ESR(m)Dimension(mm)Volume(ml) Weight(g) Part

14、 NumberACDLWTSmall2.351231020 1.62.4ESLSR-0005C0-002R32.3735830 1.52.2ESLLR-0007C0-002R32.310701030 2.43.6ESLSR-0010C0-002R32.325381625 5.07.6ESLSR-0025C0-002R32.360231840 10.213.5ESLSR-0060C0-002R32.7361820 1.01.5ESHSR-0003C0-002R72.75291020 1.62.3ESHSR-0005C0-002R72.7626830 1.52.3ESHSR-0006C0-002R

15、72.710261030 1.53.2ESHSR-0010C0-002R72.725211625 1.06.5ESHSR-0025C0-002R72.750141840 1.511.3ESHSR-0050C0-002R7Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary ConfidentialMedium2.3120162245 17.123ESLSR-0120C0-002R32.79062245 17.121.5ESHLR-0090C0-002R72.710092245 17.121ESHSR-0100C0-002R72.73603.23562

16、6067ESHSR-0360C0-002R7ALargePrismatic 2.76000.64 906028151210ESHSP-0600C0-002R72.717000.50 1656028277385ESHSP-1700C0-002R72.735000.28 1656052515685ESHSP-3500C0-002R72.750000.25 1656072713930ESHSP-5000C0-002R7Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary ConfidentialLarge Cylindrical Weldable2.7650

17、0.5060.251.5 164205ESHSR-0650C0-002R7A52.712000.4060.274 228280ESHSR-1200C0-002R7A52.716000.3460.285 259335ESHSR-1600C0-002R7A52.720000.2860.2102 307390ESHSR-2000C0-002R7A52.730000.2260.2138 410530ESHSR-3000C0-002R7A5LargeCylindrical Threaded 2.76500.5060.252.5 223210ESHSR-0650C0-002R7A5T2.712000.40

18、60.275 288285ESHSR-1200C0-002R7A5T2.716000.3460.286 319340ESHSR-1600C0-002R7A5T2.720000.2860.2103 367395ESHSR-2000C0-002R7A5T2.730000.2260.2139 470535ESHSR-3000C0-002R7A5TLishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary ConfidentialNECDimensionsMarkingsPart NumberMax.NorminalCapacitanceMax. ESRL MaxW

19、 MaxT MaxZPRated voltage(F)(at 1kHz)(mm) (mm) (mm) (mm)(mm)(Vdc)(m)HPSL0G223ZL4.20.02230034 0.5HPSN0G473ZL4.20.04720042.5172.3310 0.5Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary ConfidentialCAP-XXG Series: General Purpose Supercapacitors (operating temperature range: -40C to +70C) 1Nom

20、inal Voltage(V)Dimensions(mm)ProductFamilyDC capacitance 2 (mF 20%) 4ESR 3 (m 20%) 4Max. Thickness(mm)4.5V20.0 x 15.0GZ 2751502.6028.5 x 17.0GW 2140 - 55050 - 702.20 - 3.5039.0 x 17.0GS 2250 - 120028 - 402.20 - 3.802.3V20.0 x 15.0GZ 1150751.2528.5 x 17.0GW 1280 - 110026 - 361.10 - 1.7039.0 x 17.0GS

21、1500 - 240014 - 201.10 - 1.85返回Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential超級電容器測試 目前國內(nèi)尚無用于超級電容器的測試標(biāo)準(zhǔn)，我部門現(xiàn)行測試參考Maxwell測試標(biāo)準(zhǔn)。 不同測試標(biāo)準(zhǔn)對電容器測試參數(shù)影響較大，故國內(nèi)生產(chǎn)電容器法拉數(shù)及ESR與國外同類產(chǎn)品有所差別（參照Mxwell反饋數(shù)據(jù)）。 Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential Self Discharge Short Circuit Drop Leak

22、age Current Renverse Polarity Low Pressure High Pressure Thermal cycling DC life Cycling life Over voltage with low current Over voltage with hgh current Mechanical Crush Mechanical Nail Penetration Thermal Shock Mechanical Vibration & ShockMaxwell 執(zhí)行測試，測試方法如：返回Lishen Battery Joint-Stock Co., Lt

23、d.Proprietary ConfidentialR2：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自身的電阻超級電容器性能相關(guān)因素Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential R4 (TC&lid焊接的電阻), R8 (BC&JR

24、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ESR和Cap影響，還會導(dǎo)致自放電不良（生產(chǎn)中出現(xiàn)過直接注入CAN情況，電性能全部不合格） 烘干失重偏低導(dǎo)致水分偏高，造成自放電批次性不良 極片儲存時(shí)間過長，極片吸水，造成不可逆影響（極片烘干后自放電依然不良）。 自放電對電性能影響 自放電對電性能影響總體趨勢為Capa降低，ESR增大，但變化不大。Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.Proprietary Confidential自放電整體趨勢變化0.80.91.41357911131517系列1系列2系列3系列4系列5系列6系列7系列8系列911.21.4