采用锂离子电容器替代双电层电容器进行应用

背景技术传统的双电层电容器（EDLC）是一种公认的能量解决方案，在自放电特性，能量密度，可靠性，寿命和热设计方面存在许多明显的缺点。 Taiyo Yuden锂离子电容器克服了这些问题，是EDLC的有效替代品。锂离子电容器是混合电容器，具有EDLC和锂离子二次电池（LIB）的最佳特性。

EDLC最初是在20世纪70年代在日本创建的，并在20世纪90年代开始出现在各种家用电器中。自2000年代以来，它们已被用于移动电话和数码相机。 EDLC通常用于防止突然瞬间掉落或中断电源。它们可以瞬间输出大量电力，而电池则不能。它们经常被用作集成电路，处理器，存储器等服务器和存储设备中的备用电源。虽然EDLC旨在作为备用电源，但传统的EDLC遭受称为自放电的现象，其中随着时间的推移，电容会逐渐失去电荷。在高温环境下，自放电可以更快地发生。

即使在高温环境下，锂离子电容器的自放电极低也能确保持久的充电。

此外，锂离子电池电容器没有热失控的风险。使用锂离子电容器进行设计时，无需额外的热设计考虑，空间或元件。

锂离子电容器的使用正在稳步增长。它们越来越多地依赖于制造和医疗设备中的辅助电源，即使瞬间电压下降也是至关重要的。它们用于补偿太阳能电池板的不均匀电压水平，甚至可用作小型设备的主要电源。最重要的是，锂离子电容器正成为服务器和其他设备断电的首选备用解决方案。

与EDLC相比，锂离子电容器的原理和特性

锂离子电容器是使用碳基的混合电容器材料作为可掺杂锂的负极。正如在传统的EDLC中一样，它们使用活性炭作为正极。

图1：锂离子电容器结构。

与负极电连接的金属锂在浸入电解质溶液的同时形成本地电池。然后，锂离子的掺杂开始于负极上的碳基材料。一旦掺杂完成，锂离子电容器的初始电压降至3V或更低，因为负电极的电位几乎与锂的电位相匹配。因此，与传统EDLC的充电/放电电位相比，通过使用正极上没有高电位的锂离子电容器可以获得更高的电压，从而提高锂离子电容器的可靠性。

图2：EDLC与锂离子自放电特性。

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25ºC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25ºC，它仍可保持3.7 V以上的电压。

图3：类似40法拉锂离子和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70ºC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85ºC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-20ºC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

锂离子电容器的最大电压3.8 V，高于对称型EDLC的电容和电容是EDLC的两倍。因此，锂离子电容器的能量密度是EDLC的四倍。

由于锂离子电容器的电容在3.8 V至2.2 V范围内约为88 mAh，因此锂离子电容器具有强大的放电速率特性1库仑到100库仑。由于它可以以100库仑的放电速率获得约60％的放电容量，因此锂离子电容器可以说是在高输出应用中具有优异放电特性的电容器。在200法拉的圆柱型锂离子电容器和尺寸类似于锂离子电容器的传统对称EDLC的Ragone图比较中，锂离子电容器的能量密度为8.6 WH/kg，远大于约6.5比传统EDLC的1.5 Wh/kg更大。

图6：比ELDC更高的锂离子电容器能量密度可节省空间。

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

在负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（LIB）。然而，它们的正极的材料成分非常不同：LIB使用金属氧化物，而锂离子电容器使用碳基材料，例如不含氧的活性炭。当发生内部短路时，这可以区分它们的反应。在LIB中，当发生内部短路时，内部电池的温度会因短路电流而升高。负电极和电解质溶液之间的以下反应导致内部电池的压力增加，随后正电极处的晶体塌陷和正电极的氧化产物中的氧气释放。这会导致另一次热失控，并且在某些情况下，由于内部电池的压力进一步升高和电解液的蒸发，可能会发生点火或爆炸。相反，电池的内部压力也会锂离子电容器上升，但在此之后，由于正极材料的不同，热失控现象不会发生，反应会随着安全阀的打开而安静地完成。

因此，锂离子电容器由于与LIB相比，正极材料的不同，即使发生内部短路或其他事故，也不会导致任何严重的事故，如热失控引起的火灾或爆炸。锂离子电容器可以说是传统的非水溶剂型EDLC的能量装置的逻辑安全。下面是200法拉圆柱型锂离子电容器的钉刺试验结果，假设实际内部短路。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种安全的设备。即使在短路后电池外壁的温度升高到100℃，温度也会逐渐降低，并且电池不会引起严重的问题，例如严重的变形或爆炸。根据这些结果，锂离子电容器相当于对称型EDLC的安全性。此外，它具有许多特征，例如，与LIB不同，即使内部电池温度升高也不会导致热失控，并且它不包含任何金属氧化物作为正电极的材料。此外，如果发生内部短路，则负极基材中的洗脱内部短路不太可能，因为负极的电位不会超过Cu的洗脱电位。

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

能源设备与光伏电池或风力发电机相结合（如凸起的标记，发光负载标志，路灯）

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）。

汽车电脑设备，例如怠速停止装置，行车记录仪和电线制动器。