一文解析雙電層電容器 (EDLC)

雙電層電容器 （EDLC）——通常被稱為“超級電容器”，有時也稱為“超級電容器”——是一種令人驚嘆的被動儲能元件。由于其多個法拉的高電容和小尺寸，它提供了體積和重量的高密度能量存儲。在一些遙感、物聯(lián)網(wǎng)和能量收集源應(yīng)用中，超級電容器是可充電電池的替代品；在其他情況下，它們與電池結(jié)合使用，以克服那些基于電化學(xué)的儲能組件的一些弱點。并不是說一個天生就比另一個好；相反，超級電容器和可充電電池（無論化學(xué)性質(zhì)如何）各有其相對的優(yōu)勢和劣勢。應(yīng)用程序的優(yōu)先級決定了哪一個最有意義，

還有另一種有趣的替代方案，可以僅選擇一個或什至兩者作為兩個分立組件：混合超級電容器。這種儲能設(shè)備不僅僅是可充電電池和超級電容的明顯聯(lián)合包裝。相反，它使用了一種獨特的結(jié)構(gòu)，其中單個組件同時是一個超級電容器和一個鋰離子電池，圖 1 （有關(guān)更多詳細信息，請參閱參考資料）。

圖 1：混合超級電容器結(jié)構(gòu)的頂層視圖表明它不是一個超級電容器和一個共享單個兩端封裝的電池。（圖片來源：太陽誘電）

這些混合超級電容器的供應(yīng)商包括 Taiyo Yuden（該公司稱其為鋰離子超級電容器，技術(shù)上非常正確）、Eaton 和 Maxwell Technologies， Inc.（現(xiàn)在是特斯拉的一部分）。

有許多張貼的表格提供了標準超級電容器和鋰離子充電電池之間的比較（表 1）。請記住，正如您所料，每個資源和供應(yīng)商都有不同的觀點，而且技術(shù)本身也在快速發(fā)展。

表 1：比較了超級電容器與鋰離子充電電池的頂級特性；每個可能有一組不同的條目，具體取決于信息來源和時間。（圖片來源：Maxwell Technologies， Inc.，來自 Battery University）

盡管這些混合超級電容器具有明顯的優(yōu)點，但我對混合設(shè)備和結(jié)構(gòu)的總體感覺總是很復(fù)雜。一方面，兩種技術(shù)或材料的結(jié)合往往能讓我們在克服一些弱點的同時保留各自的優(yōu)點。這不僅適用于電子產(chǎn)品：想想用鋼筋加固的混凝土，或用作最新一代飛機機身和附件的蒙皮的碳纖維增強聚合物 （CFRP）。

同時，這些組合有時也有新的缺點。例如，與單一用途的優(yōu)化單元相比，多功能測試設(shè)備可能具有降低的規(guī)格或某些靈活性限制。廣為人知的“瑞士軍刀”就是一個非電動的例子：每個單獨的工具可能“足夠好”，但絕對不如專用工具；盡管如此，整體刀片/附件組合和包裝在尺寸、重量和成本方面都帶來了好處。

對于混合超級電容器，還有一個管理問題。鋰離子充電電池在監(jiān)督充電和放電率、庫侖計數(shù)和溫度（引用幾個因素）方面有其特定的需求——超級電容器有自己的可比列表。那么，如何管理混合超級電容？策略是否會發(fā)生沖突，或者它們是否足夠相似以至于單一方法可以用于兩端混合？

我想到隧道二極管：盡管它具有吸引人的性能特征，但作為沒有明顯輸入-輸出-接地連接的兩端器件，實際使用起來相當困難，因此不受歡迎；PIN 二極管也是如此（只需看看它的一些應(yīng)用電路原理圖）。也許最近推出的 Maxim MAX38889 等 IC 是一款 2.5V 至 5.5V、3A 可逆降壓/升壓穩(wěn)壓器，針對超級電容備份應(yīng)用進行了優(yōu)化，兩者都能很好地工作？（圖 2。）

圖 2：MAX38889 專門針對超級電容器管理；電路中也可能有電池。（圖片來源：Maxim Integrated Products）

決定是否對給定問題使用混合解決方案通常涉及權(quán)衡難以評估的權(quán)衡。除了每個成分克服另一個成分的一個或多個短路的明顯優(yōu)勢之外，還有許多情況會引入新的弱點。

使用超級電容混合體有意義嗎？答案很簡單：視情況而定。在某些情況下，新的缺點在應(yīng)用程序中是不可接受的，而在其他情況下，新的好處大于缺點。從數(shù)量上講，模型不僅要解決方程“是 1 +1 《、= 或 》 2？” 但還必須評估解決方案造成的任何差距。

您在混合 - 組合或合并 - 解決方案（而不僅僅是混合超級電容器）方面的經(jīng)驗如何？整體收益是否比任何額外的不利因素更重要？您如何判斷混合方法的優(yōu)缺點之間的平衡？

參考

• Eaton，“混合超級電容器解釋”
• 伊頓，“ HS 混合超級電容器白皮書”
• 電池大學(xué)，“ BU-209：超級電容器如何工作？”
• Taiyo Yuden，“鋰離子電容器：終極 EDLC 替代品”
• Taiyo Yuden，“電力存儲設(shè)備：鋰離子電容器；電雙層電容器”
• 技術(shù)簡報，“超級電容器混合以提高性能和效率”

編輯：hfy