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超级电容器:聚光灯下的新英雄

2018-01-25 17:11:24   阅读

直到最近,超级电容器(超级电容器)还在电路保护和短期备用电源等相当平凡的任务中工作,但是应用已经扩展到电动/混合动力汽车,可再生能源; 随着能量收集,可穿戴设备和物联网的发挥。超级电容器市场预计到2023年将达到110亿美元,因为超级电容器很快将会扩大与芯片尺寸的MEMS微型超级电容器的范围。目前的趋势包括混合超级电容/电池混合设备,表现得更像一个理想的电池; 目标是用超级电容代替充电电池,使充电疲劳成为过去。
超级电容器,超级电容器或“超级电容器” 存在电容器和电池之间的存储能力,像电池一样,它们有缓慢释放能量的能力。与电池不同,超级电容器可以在几秒钟内充电,而不会像充电电池那样容量下降。他们可以忍受几乎无限的充电周期。超级电容器自1996年以来一直作为电力储能电池进行批量生产,随着技术接近电池的能量密度,超级电容器准备高速增长。超级电容也具有很长的使用寿命,而不考虑多个充电周期。
超级电容器比普通电容器具有更高的能量密度,但比电池的能量密度更低。理论上,您可以用超级电容替换电池,但用超级电容代替整个Tesla Model S电池组将会占用过多的电量。
对于电动汽车,超级电容器在起动/停止系统,发动机辅助系统和充电站中占有一席之地。超级电容还可以执行基本的功能,例如吸收电池的高电流瞬变,这可以延长电池使用寿命,但代价是更高的设计复杂性和更大的空间要求。虽然超级电容器正在使用,但由于存储密度更高,电池在短期内是电动汽车的主流。为了鼓励市场上更多的电动汽车,特斯拉汽车公司向所有人开放了电池专利。特斯拉首席执行官伊隆·马斯克(Elon Musk)表示,这是“开源运动的精神,为电动车技术的发展而做的”。
他继续说道:“技术领导力并不是由专利来定义的,历史已经反复证明,这些专利对确定的竞争对手来说是小保护,而是由公司吸引和激励世界上最有才华的工程师我们相信将开源哲学应用于我们的专利将会加强而不是削弱特斯拉在这方面的地位。“

RF技术是否应对欺诈? 图1

图1:Maxwell K2系列超级电容器是适用于混合动力系统的一系列超级电容器。

超级电容器的基本原理

标准电容器在两个相对电极之间的电介质材料中累积电荷。超级电容器不能将能量储存在电介质中。通用电气公司首先在1957年使用碳材料观察到物理现象,超级电容器储存能量。超级电容使用极高的活性炭表面积,这与高电容有关。这些双层电容器也被称为超级电容器或EDLC(电化学双层电容器)。复合材料,尺寸和几何形状影响超级电容器的法拉值。
电荷通过在活性炭薄层内的离子迁移而累积。当在电容器的电极上施加电压时,离子迁移以试图逆转电极上的累积电荷(充电循环)。带负电荷的离子向正极移动,反之亦然,产生一个正极和一个负极层。电压的缺失使得离子返回,并且在相反的方向上移动。这是循环的放电部分。特殊材料提供了一个推动:在开发石墨烯为基础的超级电容能量密度相当于镍氢电池,但没有可充电电池的缺点。超级电容器的充电速度非常快,在充电周期方面几乎毫不留情。

微型超级电容器

微型超级电容器是一种驻留在芯片上的微型电源,基于平面石墨烯的器件有望达到大于电解电容器的功率密度。除了微型MEMS类器件之外,它们还适合多次弯曲微型超级电容器的柔性微器件应用,不会影响性能。这对于可穿戴设备和物联网应用来说是理想的。丝网印刷固态柔性微型超级电容器在玻璃,硅基片和纸张上正在开发中。
这对可穿戴设备和物联网市场意义重大。想象一下装有超级电容器的旋转齿轮,旋转的齿轮在通过能源时给每个超级电容器充电。现在将设备想象成一个芯片内部的MEMS器件。使用能量收集的当前传感器受到电池充电循环寿命和充电时间慢的限制。超级电容器实现了快速充电时间,但仍然没有很大的能量储存容量,因此电池是必要的。一个可以从中受益的应用程序是一种即时充电工具,在这种工具中间歇使用,频繁的插入/对接不成问题。

应用

当今的混合动力汽车在停止时完全关闭发动机,然后从超级电容器开始。超级电容器传统上被用于突然爆发能量或爆发时使用能量的应用。
超级电容器可以在停电时用作备用电源,以实现正确的关断顺序。智能手机使用超级电池备份电池,实时时钟和相机闪光灯。智能电表使用超级电容作为后备电源。USB产品可能会将它们用于峰值功率辅助。超级电容器通常用于太阳能系统,传感器网络,能量收集应用以及计算机显示器的零瓦待机电力。在空闲或待机模式下,超级电容,监视器和其他电子设备完全不需要电力,从而提供拦截唤醒信号所必需的最小功率,并启动微控制器的唤醒序列。这个设置被称为零瓦待机。自动水龙头使用超级电容器,在下一次充电循环中有水流发电。
超级电容器非常适合适合物联网(IoT)的远程,无线或电池供电产品。微型超级电容器的小尺寸也不会受到伤害。物联网设备是智能传感器,通过互联网提供有关自己或其环境的数据,作为对整体智能过程的贡献,并通过设备之间的机器到机器通信实现。物联网设备可以在没有人为干预的情况下采取行动,尽管人类设置,监控和最终控制物联网。

创新者

作为超级电容器创新者,麦克斯韦技术公司已经设计了用超级电容器替代传统汽车电池。超级电容器连接在一个较小的铅酸电池上。随着电力需求峰值(如加速度)的增加,电池所能提供的整体能量有所下降。以较慢,稳定的速度放电时,电池可持续较长时间。超级电容可以消除电池的高峰需求。同样的情况适用于电源。

结论

直到最近,超级电容器已经被降级到相当普通的应用,例如内部电池备份和内存保护,但在过去的几年里,它已经大量扩展到智能手机,混合动力和电动汽车以及能量收集。技术有望用超级电容器替代更多可再充电电池。


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