采用锂离子电容器替代双电层电容器进行应用

背景传统的双层电容器(EDLC)是公认的能量解决方案，在自放电特性、能量密度、可靠性、寿命和热设计等方面存在许多明显的缺点。 泰约玉登锂离子电容器克服了这些问题，是EDLC的有效替代品。 锂离子电容器是EDLC和锂离子二次电池(LIB)具有最佳特性的混合电容器。

Edlc 最初于20世纪70年代在日本发明，并于20世纪90年代开始出现在各种家用电器中。 自2000年以来，它们就被用于手机和数码相机。 Edlc 通常用于防止突然断电或停电。 它们能在一瞬间产生大量能量，但电池不能。 它们通常用作服务器和存储设备(如集成电路、处理器和内存)的备用电源。 虽然 edlc 是作为备用电源使用的，但传统的 edlc 存在一种叫做自放电的现象，随着时间的推移，电容器逐渐失去电荷。 在高温下，自放电可以发生得更快。

即使在高温下，在锂离子电容器的自放电可以非常低，以确保持久的电荷。

此外，锂离子动力电池电容器可以没有热失控的风险。使用过程中锂离子电容器方面进行设计时，无需提供额外的热设计需要考虑，空间或元件。

使用锂离子电容器正在稳步增长。它们越来越多地依赖于辅助电源和用于生产医疗器械，即使瞬时电压下降也很重要。它们被用于补偿太阳能电池板的不均匀的电压电平，或甚至用作用于小型设备的主电源。最重要的是，锂离子电容器正在成为断电备用服务器和其他设备的优选解决方案。

与EDLC相比，锂离子通过电容器的原理和特性

锂离子电容器是用作掺杂锂负极的碳基杂化电容器材料。 与传统的EDLC一样，它们使用活性炭作为正极。

图1: 锂离子电容器配置。

而浸入在电解质溶液中形成连接到本地小区金属锂负极。然后，掺杂锂离子的碳系材料在负电极上开始。一旦掺杂完成后，锂离子电容器的初始电压降低到3V以下，由于负电极的电势几乎与锂的电势匹配。因此，常规的EDLC /放电电势的充电相比，通过使用高电势电压可以是在正电极更高，从而提高了锂离子电容器的可靠性没有锂离子电容器。

图2：EDLC与锂离子电池自放电以及特性。

自放电特性

锂离子电容器的一个主要特点是其出色的“自放电特性 ”，将锂掺杂到负极中以稳定负极的电位。图3显示了圆柱型40法拉锂离子电容器的自放电特性 ，该电容器在温度为25℃时在3.8V下充电24小时，而电容类似于锂离子电容器的对称型EDLC则具有自放电特性 。如图2所示，对称型EDLC具有大的自放电。在25?C下一个月后，其电压降至初始电压的80％。相比之下，锂离子电容器显示出更好的自放电性能。即使100天后温度为25?C，它仍可保持3.7 V以上的电压。

图3: 类似于40法拉特锂离子和 edlc 器件的自放电。

浮充电特性

图4显示了圆柱型锂离子电容器和对称EDLC的浮充电特性 （连续充电），其电容与70?C温度下的锂离子电容几乎相似。锂离子电容器的特点是即使具有3.8 V的高电压电荷，电容器也可以将它们在正电极处的电位降低到低于传统对称EDLC的电位，这可以防止它们的浮充电压恶化并使它们高度可靠。 br》

图4：70°C时类似锂离子和EDLC器件的浮充电特性 。

此外，在3.5 V的电压下，圆柱型锂离子电容器在85?C的高温下的浮充电特性 （连续充电）显示出良好的效果，即使在5，000小时后仍保持约80％的初始电压。

图5：85°C时锂离子电容器的浮充电特性 。

充电/放电循环特性

与锂离子二次电池不同，锂离子电容器是采用吸附的化学稳定产品 - 离子的吸附反应使得它们在充电 - 放电循环期间不会在正电极处引起结晶变化。另外，预先将锂掺杂到负极的碳基材料中，并且可以设计锂离子电容器以降低负极中的锂离子可用性。这使锂离子电容器具有超过100，000次的优异充电/放电循环特性 ，相当于传统的对称型EDLC。其中一些应用已经在实际应用中。

温度特性

即使在高温下也能获得稳定的放电，即使在-20?C的低温下也能达到60％以上的体积维持率。此外，即使受到电解液中离子迁移率较小引起的电压降的影响，在极低温度下也能实现约50％的强体积维持率。因此，很明显锂离子电容器具有良好的温度特性 。

高能量密度

锂离子通过电容器的最大工作电压3.8 V，高于一个对称型EDLC的电容和电容是EDLC的两倍。因此，锂离子具有电容器的能量进行密度是EDLC的四倍。

由于在3.8V的范围内的约88毫安时的锂离子电容器中，以2.2 V的电容，所以具有很强的库仑放电速率为100库仑的特性的锂离子电容器。因为能够获得关于在100库仑的放电速率时的放电容量的60％，因此，可以说是具有高输出的应用的电容器的优异的放电特性的锂离子电容器。在比较图的Ragone圆筒型锂离子电容器200法拉和尺寸类似于常规锂离子电容器EDLC对称的，在锂离子电容器的能量密度为8.6瓦时/千克，比从约6.5至1.5瓦时的常规EDLC大得多/公斤以上。

图6：比ELDC更高的锂离子电容器进行能量分布密度可节省时间空间。

节省空间

由于其高能量密度 ，可以用一个锂离子电容器替换多个EDLC。在使用数十个EDLC的服务器和集成电路等应用中，这可以节省大量空间，从而可以在每个组件之间实现整体空间缩小或更大空间。利用更少的电容器还可以通过减少发热元件的数量来改善热设计。

锂离子电容器的安全性

在阳极上使用锂离子掺杂的碳基材料可能会引起安全问题，类似于锂离子电池。 然而，它们的正极材料截然不同: 锂离子电容器使用金属氧化物，而锂离子电容器使用碳基材料，如无氧活性炭。 这就区分了它们在内部短路时的反应。 在电池内部发生短路时，短路电流使内部电池的温度升高。 负极和电解质溶液之间的后续反应导致内部电池压力升高，随后正极上的晶体塌陷，正极氧化产物释放出氧气。 这可能导致另一个热失控，在某些情况下，随着内部电池压力进一步增加和电解液蒸发，可能会发生点火或爆炸。 反之，锂离子电容器内的电池内压也会升高，但之后，由于正极材料的不同，不会发生热失控，当安全阀打开时，反应将悄然完成。

因此，锂离子电容器由于与LIB相比，正极材料的不同，即使没有发生企业内部进行短路或其他交通事故，也不会影响导致出现任何一个严重的事故，如热失控引起的火灾或爆炸。锂离子电容器研究可以这样说是中国传统的非水溶剂型EDLC的能量控制装置的逻辑网络安全。下面是200法拉圆柱型锂离子电容器的钉刺试验分析结果，假设学生实际管理内部存在短路。图7：钉子刺入200圆柱法拉杆的结果锂离子电容器。

这些结果表明，锂离子电容器是一个安全装置。即使在电池的外壁的短路温度升高到100℃的，温度会逐渐降低，并且电池不会引起严重的问题，如严重的变形或爆炸。基于这些结果，锂离子电容器EDLC等同于对称安全性。此外，它具有许多的特征，例如，LIB不同，即使电池内部的温度上升不会造成热失控，并且它不含任何金属氧化物作为正极材料。另外，如果内部短路发生时，内部短路基板洗脱负极是不可能的，因为Cu的负电极电势的电势不超过洗脱。

锂离子电容器应用程序

用于集成电路，处理器，内存等的服务器和存储设备中的备用电源。锂离子电容器是紧凑，高温空间的理想选择，因为它的能量密度是EDLC的四倍，具有出色的热性能特性，电压维持能力以及浮充电的低劣化。

电源

与光伏电池或风力涡轮机结合的能源设备(例如凸起的标记、夜光负载标记、街灯)

用于节能设备的辅助电源 设备（如复印机中的快速鼓加热和投影仪启动时）。

汽车使用电脑技术设备，例如怠速停止工作装置，行车记录仪和电线制动器。