产品阵容超级电容器

超级电容器的基础知识

超级电容器的特点

  • 超级电容器的特点
  • 超级电容器的特点
  • 超级电容器的特点

超级电容器是属于电容器类的蓄电设备,因其英语为Electric Double Layer Capacitor,取其首字母缩写,也被称为EDLC。在性能方面,与众所周知的蓄电设备用二次电池相比,其能量密度(单位重量或容积中所能储存的能量量)较差,但是在输出密度(单位重量或容积瞬间所能释出的功率大小)方面则更胜一筹,且基本不会因为反复的大电流充放电而导致性能劣化,因此具有使用寿命长等优点。

以能量密度和输出密度为基准,具有代表性的蓄电设备的关系如【表1】所示。超级电容器对于铝电解电容器、陶瓷电容器等“电容器”以及锂离子电池等“二次电池”的特性具有补充的性质。需要更多能量的用途适合采用二次电池,而需要瞬间充放电、大电流充放电,以及要求耐久、可反复使用的用途,则更适合采用超级电容器。
此外,超级电容器还可以完全放电。与不能释放全部能量的二次电池相比,超级电容器具有可释放的能量占蓄电量比例较大的特点。电压随所储存的能量量的比例而变化,这一点与二次电池相同,但是超级电容器的电压变动幅度更大,可以放电到0V,根据负荷程度的不同,需要电力变换器(DC/DC转换器)来辅助实现电压的稳定化。而另一方面,则可以利用此性质,通过测量端子电压,精准地掌握充电后的能量余量,这也是其一大优势。

主要特点
  • 可充放电数百万次(超长寿命)
  • 可通过大电流实现快速充放电(高输出密度)
  • 充放电时损失少(低内部电阻)
  • 可完全放电(放电深度无限制)
  • 构成材料不含重金属
  • 异常时的安全性高,即使外部短路也不会发生故障
【表1】蓄电设备的分类

蓄电设备的分类

超级电容器的特点构造

【图1】蓄电设备的分类

超级电容器的特点构造

超级电容器的大小和形状丰富多彩,从表面实装型和硬币型等静电容量低于1F的小型产品,到径向引线型、层叠型、大型的螺丝端子型,都已经实现商品化。大型产品中也不乏一个单元的静电容量就超过2000F的产品。

元件的构造大致可以分为在铝箔上成圈、采用缠绕电极构造的“卷绕型”以及堆叠构造的“层叠型”。尽管形状各有不同,每种类型的基本蓄电机制和结构原理都相同,【图1】所示为圆柱形大型产品的内部构造和结构原理。

超级电容器的电极材料,采用比表面积较大的活性炭。如【图1】所示,利用电荷定向于电解液和电极的界面之间的极短距离的现象(双电层),实现物理性的电荷积蓄。不同于通过化学反应积蓄能量的二次电池,超级电容器只通过活性炭表面离子的物理吸附来储存能量,因此构成材料几乎不会出现劣化,从而实现了长寿命。利用该特点,在难以定期更换零件(或定期更换会明显导致成本增加)的用途和安装场所,为了降低交换频率、实现免维护,也有采用超级电容器作为蓄电设备的案例。

电解液大致可分为水系、有机系、离子液体几大类,大多数产品中所采用的有机系电解液,以溶媒不同的碳酸丙烯酯系(PC系)以及乙腈系(AN系)两种最具代表性。AN系电解液具有内部阻抗低的优良特质,而另一方面,由于电解液的挥发温度低,使用时的环境温度受限,加之其起火时可能产生极为有毒的氰气,因此日本贵弥功重视安全性,采用非乙腈系的有机系电解液。

大型的超级电容器方面,为了获得搭载装置所需要的电压和静电容量,多个单元串联或并联连接起来存储体结构较为常见。有的电容器制造商也会将多个单元组合进存储体中,以抑制各个单元的电压偏差,并将内置“平衡电路”的电容器模块作为标准产品上市。此外,还有的制造商会准备提升耐振性和耐冲击性的特殊规格模块。由于连接模块单位可以构成蓄电单元,因此用户会更容易进行机器试制以及探讨引进事宜。

超级电容器的用途

超级电容器品类丰富,从静电容量1F以下的小型产品到超过2000F的大型产品,一应俱全。形状也是丰富多彩,从表面实装型到螺丝端子型,应有尽有。

小型产品和大型产品的用途也存在较大的差异。之前就已经建立起市场基础的小型和中型的产品,广泛用于老式功能型手机、智能手机、AV设备、玩具和游戏机等,其用途以实时时钟和内存的备用电源为主。而办公自动化设备--打印机或投影仪方面,也被广泛用于以高速启动和节能化等提高性能为目的的辅助电源。近年来,不仅有用于智能仪表备用电源的案例,今后的发展目标还包括多功能化智能手机的峰值电力辅助以及摄像头的闪光灯等用途,期待通过新产品开发不断扩大市场。
而另一方面,大型产品则主要用于电力的储存和稳定化、电力辅助、备用电源、能源再生等,尤其是随着能源问题意识的提高,各领域都在利用超级电容器的特点进行“节能型机器”的开发。其案例不仅包括将超级电容器用于蓄电设备,也包括将超级电容器与二次电池搭配组合、优势互补。我们在【表2】中总结了大型产品的主要实用化案例,除【表2】之外,其他诸多领域也都实现了实用化,相关的讨论也日趋活跃。

日本贵弥功的超级电容器“DLCAPTM(Di El Cap)”被载人机动车的“减速能源再生系统”蓄电池设备所采用。这是全球首次在载人机动车上装载电容器型减速能源再生系统,该系统将为改善燃油消耗做出贡献。日本贵弥功的“DLCAPTM”之所以被选中,是因为在使用重视安全性的PC系电解液实现了高可靠性的同时,还凭借着独创的技术开发出了大幅抑制内部电阻的新产品。

超级电容器的开发方向,除低内部电阻外,还包括高耐电压化、大容量化、高耐热化等,随着需求的提高,技术也在不断地革新中。日本贵弥功的产品阵容分为三大系列,一是螺丝端子型的低电阻高输出型“DXE系列”、二是高耐热型的“DXG系列”、三是高耐电压型的“DXF系列”,而引线端子型则属于“DKA系列”。此外我们也有内置电压平衡电路的电容器模块产品。

今后,能源管理的重要性将进一步凸显出来,用于自动驾驶等的冗余电源系统、获得新功能的ICT相关设备和节能型设备、以高效利用能源为宗旨的蓄电系统、引进自然能源时确保电力质量以及电力网稳定化的对策等,以上这些方面的开发都将会加快步伐。预计在这些领域,超级电容器的市场还会继续扩大。

【表2】超级电容器的主要实用化案例
主要用途 使用设备 主要目的与效果
储藏电力 道路铆钉(太阳能发电+LED) 无配线、免维护
交通信息收集终端(太阳能发电+传感器) 无配线、免维护
LED路灯(太阳能发电+LED) 无配线、免维护
电力稳定化 大型瞬低对策装置 短时间大功率的瞬低对策(危机管理)
电源辅助 数码复合机(复印机) 节能化、预热时间缩短
备用电源 配电线路故障监控装置 停电时发送信号、免维护(危机管理)
灾害对策用自动贩卖机 停电时的备用电源、手动式发电进行蓄电(危机管理)
各种车载系统 提高电源的冗余性,提升韧性
能源再生 混合动力运输起重机 柴油机的小型化和节能化
电动叉车 通过电池辅助改善运转时间
混合动力建筑重机械 柴油机的小型化和节能化
运输设备 节省燃油、减少CO2排放

超级电容器的寿命性能

超级电容器是一种寿命有限的设备。其使用寿命受使用条件影响,如:温度、湿度、振动等环境条件、所施加的电压、充放电条件等电气条件等。超级电容器的保证寿命,在商品目录中明确标记为高温负荷特性。

环境温度和寿命

超级电容器的使用寿命受如【图2】所示的环境温度的影响较大。如果将实际使用时的温度设定在一个较低的水平,则可以期待更长的使用寿命。

【图2】耐久性试验(温度参数)

耐久性试验(温度参数)

耐久性试验(温度参数)

施加电压和寿命

超级电容器的使用寿命受如【图3】所示的使用电压的影响较大。如果将实际使用时所施加的电压设定在一个较低的水平,则可以期待更长的使用寿命。

【图3】耐久性试验(电压参数)

耐久性试验(电压参数)

耐久性试验(电压参数)

充放电引起的自我发热

超级电容器具备内部电阻,因此会因充放电的电流而产生内部发热,从而影响使用寿命。尤其是需要在大电流下连续充放电的用途中伴随着温度的上升,其老化也会加速。发热程度会根据充放电模式而发生较大的变化,因此也需要考虑到发热造成的温度上升。此外,大电流放电的情况下,放电开始时会发生电压下降,因此也需要考虑到如何处理下降部分的电压。

关于寿命推测

温度和持续施加电压,都是会对超级电容器的寿命加速构成较大影响的因素。电气特性的变化和测试时间的平方根√t之间有如【图4】所示的直线关系,可以列出如下公式。

ΔC=k√t+a

k是寿命加速系数,因温度和电压的组合而异。在实际使用条件下求k值,即可推测寿命。
k以及α因温度、电压、产品系列而异,详情请咨询本公司。

【图4】耐久性测试的√t图例

【图4】耐久性测试的√t图例