法拉儲(chǔ)能，第 2 部分：超級(jí)電容器和電池

時(shí)間：2024-10-20 22:19:57

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[導(dǎo)讀]本文前一部分建立了超級(jí)電容器的背景，并用簡(jiǎn)單的術(shù)語解釋了它們的結(jié)構(gòu);顯然，這是一個(gè)具有深厚物理、化學(xué)、材料科學(xué)考慮和制造問題的組件。第一種廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器于 20 世紀(jì) 70 年代末和 80 年代初進(jìn)入市場(chǎng)。它們主要用于易失性存儲(chǔ)器的內(nèi)存?zhèn)浞荩捎诔杀竞托阅軉栴}，它們并未被大眾市場(chǎng)接受。然而，到了 20 世紀(jì) 90 年代，超級(jí)電容器以適中的價(jià)格上市，具有卓越的性能和可靠性，因此開始被常規(guī)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中。相關(guān)的維基百科參考資料對(duì)其歷史進(jìn)行了相當(dāng)詳細(xì)的介紹，同樣重要的是，引用了許多信譽(yù)良好的來源，包括行業(yè)媒體上的新聞和學(xué)術(shù)期刊上的論文。

本文前一部分建立了超級(jí)電容器的背景，并用簡(jiǎn)單的術(shù)語解釋了它們的結(jié)構(gòu);顯然，這是一個(gè)具有深厚物理、化學(xué)、材料科學(xué)考慮和制造問題的組件。第一種廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器于 20 世紀(jì) 70 年代末和 80 年代初進(jìn)入市場(chǎng)。它們主要用于易失性存儲(chǔ)器的內(nèi)存?zhèn)浞?，但由于成本和性能問題，它們并未被大眾市場(chǎng)接受。然而，到了 20 世紀(jì) 90 年代，超級(jí)電容器以適中的價(jià)格上市，具有卓越的性能和可靠性，因此開始被常規(guī)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中。相關(guān)的維基百科參考資料對(duì)其歷史進(jìn)行了相當(dāng)詳細(xì)的介紹，同樣重要的是，引用了許多信譽(yù)良好的來源，包括行業(yè)媒體上的新聞和學(xué)術(shù)期刊上的論文。

超級(jí)電容器特性

除了其他差異之外，超級(jí)電容器的充電/放電特性與電池不同，無論電池化學(xué)成分如何(請(qǐng)注意，每種可充電電池化學(xué)成分都有自己的充電/放電曲線)。圖 1是這些設(shè)備的充電(頂部)和放電(底部)曲線的一般曲線。

圖：(頂部)超級(jí)電容器的電壓/電流充電(頂部)和放電(底部)曲線與大多數(shù)可充電電池(如鋰離子電池)的曲線非常不同。

與電池甚至非超級(jí)電容器一樣，沒有“典型”的超級(jí)電容器，但代表性系列可以概述其基本特性。例如，伊頓的 HB 系列圓柱形超級(jí)電容器是一種帶引線的器件系列，用于通孔 PC 板安裝，輸出為 2.5 V (圖 2)。該系列成員的電容和尺寸范圍從 21 毫米長(zhǎng)、8 毫米直徑封裝中的 3 法拉到 60 毫米長(zhǎng)、18 毫米直徑封裝中的 110 F。超級(jí)電容器還提供“硬幣”封裝，以兼容紐扣電池插座。

圖 2：盡管超級(jí)電容器的法拉額定值高得多，但它們的外觀與傳統(tǒng)電容器相似，尺寸和封裝也類似，這些引線式裝置也顯示出這一點(diǎn)。

這些超級(jí)電容器的其他重要參數(shù)是它們的等效串聯(lián)電阻 (ESR)，最大的范圍從 0.16 歐姆到 0.020 歐姆，脈沖電流為 1 A 到 24 A，連續(xù)電流為 1.1 A 到 8.7 A(分別從最小版本到最大版本)。

那么電池呢?

自商業(yè)化以來，超級(jí)電容器主要用于提供持續(xù)電力以及在電源備份、能量收集和脈沖功率傳輸應(yīng)用中的短期能量存儲(chǔ)。對(duì)于其中一些情況，單獨(dú)使用電池可能效果不錯(cuò)，但它們的一些固有特性會(huì)使它們不太合適。超級(jí)電容器單獨(dú)用于小型、極低功耗應(yīng)用，例如收集/物聯(lián)網(wǎng)模塊。它們也可以串聯(lián)/并聯(lián)組合作為大型 UPS 裝置的電容器電源組。它們?cè)跒獒t(yī)院等關(guān)鍵任務(wù)提供“橋接”電源方面特別有用，以便在主電源發(fā)生故障和備用發(fā)電機(jī)啟動(dòng)之間保持電力可用(通過逆變器)。

任何對(duì)超級(jí)電容器與可充電電池的一般比較都只是一種概括，因?yàn)楹艽蟪潭壬先Q于所比較的具體電池類型。盡管如此，(圖 4)的表格很好地概括了超級(jí)電容器與鋰離子電池的相對(duì)屬性。然而，當(dāng)然，這兩種技術(shù)的功能和特性也在不斷變化和進(jìn)步——因此，僅將表格用作粗略的指南和起點(diǎn)。