采用鋰離子電容器替代雙電層電容器進(jìn)行應(yīng)用

背景技術(shù)傳統(tǒng)的雙電層電容器（EDLC）是一種公認(rèn)的能量解決方案，在自放電特性，能量密度，可靠性，壽命和熱設(shè)計(jì)方面存在許多明顯的缺點(diǎn)。 Taiyo Yuden鋰離子電容器克服了這些問(wèn)題，是EDLC的有效替代品。鋰離子電容器是混合電容器，具有EDLC和鋰離子二次電池（LIB）的最佳特性。

EDLC最初是在20世紀(jì)70年代在日本創(chuàng)建的，并在20世紀(jì)90年代開(kāi)始出現(xiàn)在各種家用電器中。自2000年代以來(lái)，它們已被用于移動(dòng)電話(huà)和數(shù)碼相機(jī)。 EDLC通常用于防止突然瞬間掉落或中斷電源。它們可以瞬間輸出大量電力，而電池則不能。它們經(jīng)常被用作集成電路，處理器，存儲(chǔ)器等服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備中的備用電源。雖然EDLC旨在作為備用電源，但傳統(tǒng)的EDLC遭受稱(chēng)為自放電的現(xiàn)象，其中隨著時(shí)間的推移，電容會(huì)逐漸失去電荷。在高溫環(huán)境下，自放電可以更快地發(fā)生。

即使在高溫環(huán)境下，鋰離子電容器的自放電極低也能確保持久的充電。

此外，鋰離子電池電容器沒(méi)有熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。使用鋰離子電容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)需額外的熱設(shè)計(jì)考慮，空間或元件。

鋰離子電容器的使用正在穩(wěn)步增長(zhǎng)。它們?cè)絹?lái)越多地依賴(lài)于制造和醫(yī)療設(shè)備中的輔助電源，即使瞬間電壓下降也是至關(guān)重要的。它們用于補(bǔ)償太陽(yáng)能電池板的不均勻電壓水平，甚至可用作小型設(shè)備的主要電源。最重要的是，鋰離子電容器正成為服務(wù)器和其他設(shè)備斷電的首選備用解決方案。

與EDLC相比，鋰離子電容器的原理和特性

鋰離子電容器是使用碳基的混合電容器材料作為可摻雜鋰的負(fù)極。正如在傳統(tǒng)的EDLC中一樣，它們使用活性炭作為正極。

圖1：鋰離子電容器結(jié)構(gòu)。

與負(fù)極電連接的金屬鋰在浸入電解質(zhì)溶液的同時(shí)形成本地電池。然后，鋰離子的摻雜開(kāi)始于負(fù)極上的碳基材料。一旦摻雜完成，鋰離子電容器的初始電壓降至3V或更低，因?yàn)樨?fù)電極的電位幾乎與鋰的電位相匹配。因此，與傳統(tǒng)EDLC的充電/放電電位相比，通過(guò)使用正極上沒(méi)有高電位的鋰離子電容器可以獲得更高的電壓，從而提高鋰離子電容器的可靠性。

圖2：EDLC與鋰離子自放電特性。

自放電特性

鋰離子電容器的一個(gè)主要特點(diǎn)是其出色的“自放電特性”，將鋰摻雜到負(fù)極中以穩(wěn)定負(fù)極的電位。圖3顯示了圓柱型40法拉鋰離子電容器的自放電特性，該電容器在溫度為25℃時(shí)在3.8V下充電24小時(shí)，而電容類(lèi)似于鋰離子電容器的對(duì)稱(chēng)型EDLC則具有自放電特性。如圖2所示，對(duì)稱(chēng)型EDLC具有大的自放電。在25oC下一個(gè)月后，其電壓降至初始電壓的80％。相比之下，鋰離子電容器顯示出更好的自放電性能。即使100天后溫度為25oC，它仍可保持3.7 V以上的電壓。

圖3：類(lèi)似40法拉鋰離子和EDLC器件的自放電。

浮充電特性

圖4顯示了圓柱型鋰離子電容器和對(duì)稱(chēng)EDLC的浮充電特性（連續(xù)充電），其電容與70oC溫度下的鋰離子電容幾乎相似。鋰離子電容器的特點(diǎn)是即使具有3.8 V的高電壓電荷，電容器也可以將它們?cè)谡姌O處的電位降低到低于傳統(tǒng)對(duì)稱(chēng)EDLC的電位，這可以防止它們的浮充電壓惡化并使它們高度可靠。 br》

圖4：70°C時(shí)類(lèi)似鋰離子和EDLC器件的浮充電特性。

此外，在3.5 V的電壓下，圓柱型鋰離子電容器在85oC的高溫下的浮充電特性（連續(xù)充電）顯示出良好的效果，即使在5，000小時(shí)后仍保持約80％的初始電壓。

圖5：85°C時(shí)鋰離子電容器的浮充電特性。

充電/放電循環(huán)特性

與鋰離子二次電池不同，鋰離子電容器是采用吸附的化學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)品 - 離子的吸附反應(yīng)使得它們?cè)诔潆?- 放電循環(huán)期間不會(huì)在正電極處引起結(jié)晶變化。另外，預(yù)先將鋰摻雜到負(fù)極的碳基材料中，并且可以設(shè)計(jì)鋰離子電容器以降低負(fù)極中的鋰離子可用性。這使鋰離子電容器具有超過(guò)100，000次的優(yōu)異充電/放電循環(huán)特性，相當(dāng)于傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)型EDLC。其中一些應(yīng)用已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中。

溫度特性

即使在高溫下也能獲得穩(wěn)定的放電，即使在-20oC的低溫下也能達(dá)到60％以上的體積維持率。此外，即使受到電解液中離子遷移率較小引起的電壓降的影響，在極低溫度下也能實(shí)現(xiàn)約50％的強(qiáng)體積維持率。因此，很明顯鋰離子電容器具有良好的溫度特性。

高能量密度

鋰離子電容器的最大電壓3.8 V，高于對(duì)稱(chēng)型EDLC的電容和電容是EDLC的兩倍。因此，鋰離子電容器的能量密度是EDLC的四倍。

由于鋰離子電容器的電容在3.8 V至2.2 V范圍內(nèi)約為88 mAh，因此鋰離子電容器具有強(qiáng)大的放電速率特性1庫(kù)侖到100庫(kù)侖。由于它可以以100庫(kù)侖的放電速率獲得約60％的放電容量，因此鋰離子電容器可以說(shuō)是在高輸出應(yīng)用中具有優(yōu)異放電特性的電容器。在200法拉的圓柱型鋰離子電容器和尺寸類(lèi)似于鋰離子電容器的傳統(tǒng)對(duì)稱(chēng)EDLC的Ragone圖比較中，鋰離子電容器的能量密度為8.6 WH/kg，遠(yuǎn)大于約6.5比傳統(tǒng)EDLC的1.5 Wh/kg更大。

圖6：比ELDC更高的鋰離子電容器能量密度可節(jié)省空間。

節(jié)省空間

由于其高能量密度，可以用一個(gè)鋰離子電容器替換多個(gè)EDLC。在使用數(shù)十個(gè)EDLC的服務(wù)器和集成電路等應(yīng)用中，這可以節(jié)省大量空間，從而可以在每個(gè)組件之間實(shí)現(xiàn)整體空間縮小或更大空間。利用更少的電容器還可以通過(guò)減少發(fā)熱元件的數(shù)量來(lái)改善熱設(shè)計(jì)。

鋰離子電容器的安全性

在負(fù)極上使用鋰離子摻雜的碳基材料可能會(huì)引起安全問(wèn)題，類(lèi)似于鋰離子電池（LIB）。然而，它們的正極的材料成分非常不同：LIB使用金屬氧化物，而鋰離子電容器使用碳基材料，例如不含氧的活性炭。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，這可以區(qū)分它們的反應(yīng)。在LIB中，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，內(nèi)部電池的溫度會(huì)因短路電流而升高。負(fù)電極和電解質(zhì)溶液之間的以下反應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)部電池的壓力增加，隨后正電極處的晶體塌陷和正電極的氧化產(chǎn)物中的氧氣釋放。這會(huì)導(dǎo)致另一次熱失控，并且在某些情況下，由于內(nèi)部電池的壓力進(jìn)一步升高和電解液的蒸發(fā)，可能會(huì)發(fā)生點(diǎn)火或爆炸。相反，電池的內(nèi)部壓力也會(huì)鋰離子電容器上升，但在此之后，由于正極材料的不同，熱失控現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，反應(yīng)會(huì)隨著安全閥的打開(kāi)而安靜地完成。

因此，鋰離子電容器由于與LIB相比，正極材料的不同，即使發(fā)生內(nèi)部短路或其他事故，也不會(huì)導(dǎo)致任何嚴(yán)重的事故，如熱失控引起的火災(zāi)或爆炸。鋰離子電容器可以說(shuō)是傳統(tǒng)的非水溶劑型EDLC的能量裝置的邏輯安全。下面是200法拉圓柱型鋰離子電容器的釘刺試驗(yàn)結(jié)果，假設(shè)實(shí)際內(nèi)部短路。圖7：釘子刺入200圓柱法拉桿的結(jié)果鋰離子電容器。

這些結(jié)果表明鋰離子電容器是一種安全的設(shè)備。即使在短路后電池外壁的溫度升高到100℃，溫度也會(huì)逐漸降低，并且電池不會(huì)引起嚴(yán)重的問(wèn)題，例如嚴(yán)重的變形或爆炸。根據(jù)這些結(jié)果，鋰離子電容器相當(dāng)于對(duì)稱(chēng)型EDLC的安全性。此外，它具有許多特征，例如，與LIB不同，即使內(nèi)部電池溫度升高也不會(huì)導(dǎo)致熱失控，并且它不包含任何金屬氧化物作為正電極的材料。此外，如果發(fā)生內(nèi)部短路，則負(fù)極基材中的洗脫內(nèi)部短路不太可能，因?yàn)樨?fù)極的電位不會(huì)超過(guò)Cu的洗脫電位。

鋰離子電容器應(yīng)用程序

用于集成電路，處理器，內(nèi)存等的服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備中的備用電源。鋰離子電容器是緊湊，高溫空間的理想選擇，因?yàn)樗哪芰棵芏仁荅DLC的四倍，具有出色的熱性能特性，電壓維持能力以及浮充電的低劣化。

電源

能源設(shè)備與光伏電池或風(fēng)力發(fā)電機(jī)相結(jié)合（如凸起的標(biāo)記，發(fā)光負(fù)載標(biāo)志，路燈）

用于節(jié)能設(shè)備的輔助電源設(shè)備（如復(fù)印機(jī)中的快速鼓加熱和投影儀啟動(dòng)時(shí)）。

汽車(chē)電腦設(shè)備，例如怠速停止裝置，行車(chē)記錄儀和電線制動(dòng)器。