超级电容器基本概念

会计学1超级电容器基本概念超级电容器的主要特性

额定容量：单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流充电到额定电压后保持2-3分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，即：由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大，因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略。第1页/共25页额定电压：可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电压，通常为额定电压的105%），实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压（约为额定电压的1.5-3倍左右，与普通电容器的额定电压/击穿电压比值差不多。

额定电流：5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲峰值电流）最大存储能量：在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位

能量密度：最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l）

功率密度：在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l表示。第2页/共25页

寿命：在25℃环境温度下的寿命通常在90000小时，在60℃的环境温度下为4000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。

循环寿命：20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。第3页/共25页等效串联电阻：测试条件：规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）和规定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温度上升而减小。超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。

工作与存储温度：通常为-40℃-60℃或70℃，存储温度还可以高一些。

漏电流：一般为10μA/F返回第4页/共25页超级电容器优势超级电容器和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环。第5页/共25页超级电容器和蓄电池性能比较条件蓄电池超级电容器电化学位变化由活性物质的热力学性质决定随活性物质的变化而变化充放电电极电位变化如果不发生非热力学过程或物相变化电极电位保持不变电极电位随充电状态而发生变化电量储存方式非电容性电容性恒电位变化时得不到恒流曲线可得恒流曲线呈线性变化恒流放电时电位变化基本不变呈线形变化比能量20-200Wh/kg0.2-20Wh/kg比功率<500W/kg102-104W/kg充放电次数<104

>105返回第6页/共25页超级电容器分类超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：双电层型超级电容器，包括

1.活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。2.碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。3.碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。4.碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。第7页/共25页以上电极材料可以制成：

1.平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。2.绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度赝电容型超级电容器：

包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。第8页/共25页按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型：水性电解质，包括以下几类

1.酸性电解质，多采用36％的H2SO4水溶液作为电解质。2.碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。3.中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。有机电解质通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度另外还可以分为：

1.液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态。2.固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究返回第9页/共25页超级电容器国外发展现状超级电容器通常耐压为2.5-3V，也有耐压为1.6V的产品。主要有美国、德国、日本、韩国、俄罗斯和中国等国家生产。比较知名的公司有：Maxwell、Epcos、Nesscap、ELNA、NEC、松下等。我国有锦州超容等企业，从容量上看有机系的国外达到2.7V/5000F，国内的锦州超容接近这一水平。超级电容器体积在逐年减小，120F/2.7V已做到直径20毫米高40毫米，3F/2.7V直径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别达到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l。循环寿命和寿命分别达到500000次和90000小时。第10页/共25页Maxwell国外第11页/共25页第12页/共25页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页/共25页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页/共25页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页/共25页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页/共25页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页/共25页超级电容器测试目前国内尚无用于超级电容器的测试标准，我部门现行测试参考Maxwell测试标准。不同测试标准对电容器测试参数影响较大，故国内生产电容器法拉数及ESR与国外同类产品有所差别（参照Mxwell反馈数据）。第18页/共25页SelfDischargeShortCircuitDropLeakageCurrentRenversePolarityLowPressureHighPressureThermalcyclingDClifeCyclinglifeOvervoltagewithlowcurrentOvervoltagewithhîghcurrentMechanicalCrushMechanicalNailPenetrationThermalShockMechanicalVibration&ShockMaxwell执行测试，测试方法如：返回第19页/共25页R2：TC&Lid焊接产生的电阻R4：TC&JR焊接产生的电阻R6：电解液和极组反应产生的电阻R8：BC&JR焊接产生的电阻R10：BC&can焊接产生的电阻R11：can自身的电阻R1：lid自身的电阻R3：TC自身的电阻R5：JR自身的电阻R7：电解液自身的电阻R9：BC自身的电阻超级电容器性能相关因素第20页/共25页R4(TC&lid焊接的电阻),R8(BC&JR焊接的电阻),R10(BC&can焊接的电阻)为激光焊接影响因素，如出现虚焊、弱焊直接导致ESR和Cap不良电解液对ESR和C