标签: 超级电容

超级电容，到底有多少的能量？前两天论坛里讨论无线充电的发展趋势，我就提到由于超级电容的大电流充电能力，上百 A 不在话下，那么如果没电了，往插座上一插，瞬间大电流充十几秒，能用几个小时，是否可以？！ 理论上讲是可行的，但是由于这东西体积比太大，相同体积能量和锂电池差太多。 电容 F = C/U ， 1F 的电容，电压 4.2V 时候为 4.2C （库伦），放电到 3.4V ，差 0.6V ，即有效电量为 0.6C = 0.6A*S 安秒 =600mAs 毫安秒 =600/3600mAh = 0.167mAh 。 我买了一个 5V 1500F 的超级电容，那么其对应的电量约 250mAh 。当接入 5R 的固定阻性负载时候，平均约 0.7A ，那么续航能达到 21.5 分钟。 直接充电 4.2V*6.4A = 26.88W ，本身余电 3.6V ，因此很快充满。 充满之后从 10:55 开始放电到 11:15 ， 4.2V 降到 3.43V ，实际测试的确和理论计算结果一致，仅仅续航 20 分钟。 而使用 18650 电池， 3450mAh 的可以续航近 6h ，差别 18 倍以上。但是 18650 电池只有 16，532cm3 ，而这组超级电容达到了 791，280cm3（直径6cm，高度14cm，两颗2.7v 3000F串联） ，体积比相差 47.9 倍，也就是说整体体积能量比相差 660 倍。看来从实际的实验结果上看，手机使用超级电容是不可能的了，如果现有的手机电池换成同体积的超级电容，原本续航 1 天的，超级电容只能用两分多钟，那不是要哭死。所以目前来看，超级电容的方式不适合用在手机上了。

当我第一次听到纸电池时，我是持怀疑态度的。我曾在使用聚脂薄膜和类似材料的电池公司工作过，但居然是纸？ 我对此感到非常好奇，因此我特别想与纸电池公司(PBC)的首席执行官Shreefal Mehta和高级总监Dave Rich交流一下。 PBC公司成立于2008年，位于纽约州北部。公司的愿景是卷到卷印刷生产可扩展、灵活、结构化的能量存储材料片。这种技术可以在同一大批量印刷生产线上制造电池和超级电容(能量和功率)材料。 PBC公司如今正在开发超薄超级电容技术，这种技术据称可以增强移动设备和依赖传统可充电锂电池的其它产品的电池性能。该技术是一种独特的、相对非界入式(只有0.3mm厚)技术，能与现有的电池解决方案一起工作，而且具有环境友好特性。借助这种可扩展性技术，能量的存储和分配可以得到显著改善，而且使用的具有成本效益和空间效益的片状产品很容易设计进各种电子产品中。 PCB公司看准了嵌入式设备越变越小、越变越薄并且采用电池供电的趋势，因此他们决心为电池开发又薄又便宜的设计。我想知道这种技术究竟有多好。 PBC公司还宣布了与领先的电池组制造商TWS的合作伙伴关系，后者是世界上前五大电池供应商之一。 为了更深入地了解这一技术，我问了一些问题，并做了一些研究。 怀疑一切的人 我发现葡萄牙的新里斯本大学已经对在纤维素纸上构建的纸薄膜电池做了大量的研发工作。这种纤维素纸同时又用作电解液，起到分隔电极的作用，也作为可充电电池的物理支撑1。作为事实，3V原型电池已经能够控制纸晶体管的开/关状态。 2013年普渡大学使用基于柔性纸的集电体成功制造出锂离子电池。其中的集电体是在覆盖有碳纳米管的超细木纤维上制造出来的，采用了静电叠层纳米组装工艺2。 因此，没问题——它可以做出来。现在我又对纸电池公司的设计感兴趣了。 纸电池公司的工艺 纸电池公司(PBC)的PowerPatch产品线包含了超薄、可以加图案的超级电容器，其中的互连和封装设计成可以形成紧凑的能量模块，其工作电压范围从2V到7.8V，具体取决于目标寿命。 这种第一代产品实现了PowerWrapper技术平台的有限子集，突出了PBC公司为这种下一代超薄、可加图案的超级电容开发的封装创新技术。 典型的传统电池尺寸为90x30x4mm，等效串联电阻(ESR)为75mΩ；纸电池公司的解决方案尺寸为7cmx4mmx0.3mm，ESR不到30mΩ。 更让人欣慰的是，这种设计对环境非常友好：超级电容技术使用的电极是由高表面积活性碳、碳纳米管或石墨烯组成的。纸或其它多孔聚合物分隔器容纳电解液并分隔电极。集电体通常是铝箔，连接到电极上，并承载电荷的输入输出。PowerPatch产品没有电池中常见的有毒重金属 ，完全符合RoHS指令。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 减少压降 PowerPatch第二代产品能以真正很小的空间显著减少压降。 顶部的图形是带PBC公司超级电容的传统电池。底部的图形显示在GSM手持无线电设备中单用传统电池有显著的压降。 纸能够适应复杂的形状 传统电池很难装配进复杂的外形结构。更薄的电池意味着更轻、更薄的外部产品设计。 新产品设计范例。电池/超级电容现在可以围绕PCB板布置以满足产品的最小体积要求。现在还容易做成分布式电容。这种设计能够减小PCB上的电压变化，减少很多PCB元件，还能同时向一个或多个负载提供峰值功率脉冲。选择外形尺寸的灵活性允许不规则的形状，同时仍能提供优异的散热和RFI(射频干扰)好处。 隐含的优势 苗条的外形使得PowerPatch非常有益于扩散和屏蔽热量。PowerPatch的架构设计可以使电磁干扰“更安静”，并能用作RFI的屏蔽罩。 这种技术支持的应用： 电容触摸屏—噪声(电磁干扰)是电容触摸屏的首要问题，PowerPatch不仅可以用作屏蔽罩，而且有助于维持LED驱动器的电压稳定。 相机闪光灯—大多数超过130万像素的手机相机都要求强大的拍照闪光灯，以及在较低光线条件下方便摄影的超亮电筒。闪光灯强度直接和间接地影响图像质量3。向闪光灯提供的功率脉冲要求高能量和很低的ESR。 智能手表—目前智能手表虽然新颖，但作为智能手机或平板电脑的附属设备功能还很有限。功能的演进需要更好的电源来延长通信距离和提高数据速率。 电池供电的小型低音和超低音声响系统——为了获得最好的声音，电源电压的变化必须尽可能小以适应瞬态功率要求，特别是当只有电流需求改变时。具有高能量密度和低ESR的超级电容可以提高这种场合中的系统性能。越薄的外形尺寸使得它们能够装配进最终产品或低音产生子系统的工业设计中。 个人音频放大器和医疗听力系统—集成蓝牙和其它无线射频技术，数据流可直接进入设备。RFI和真实听力援助中心(THAC)问题。 LED驱动器—电压稳定性，效率得到提升，具有散热和RFI好处，而且具有成本和尺寸优势。 未来 未来增长将通过扩展产品到大规格性能叠层、将能量打包为结构化单元(如太阳能阵列背板到混合动力汽车电池组)推动。 PowerPatch实现可以有多个输出，而未来还会有多种电压。这些优势使得PowerPatch能够连接到相邻的多个负载，以便获得可能最小的ESR。PowerPatch可以用来对电压进行乘除运算，然后直接馈送给负载，或作为电压转换器的输入，也可作为连接电压转换器的存储器。 未来，PowerPatch将支持把元件直接安装到PowerPatch上，比如稳压元件、开关和控制器件以及RFID元件等。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

街头随处可见的烟头在不少人看来只是碍眼的垃圾，但一组韩国的科学家却发现了它们的价值——将其变成了制造超级电容的原材料。研究人员发现，这没人待见的“烟屁股”虽然“出身卑微”，却能为超级电容的性能带来大幅度的提升。这一点就算是材料界的“当红明星”石墨烯和碳纳米管也只能自叹不如。相关论文发表在8月5日出版的《纳米技术》杂志上。 据估计，全球每年会产生大约5.6万亿个烟蒂，总重量达766571吨。许多国家都正在制定严格的规定，希望减少由此带来的污染和火灾隐患。而新研究不但能够以绿色环保的方式对这些烟头进行无害化处理，还能将其转化为能够存储能量的高性能材料，在计算机、手持设备、电动汽车和风力涡轮发电机上获得应用。 研究人员称，因成本低、表面积大、导电性和稳定性好，碳是制造超级电容常用的一种原料。世界各地的科学家正在努力提高超级电容的能量密度和功率密度，以及循环使用寿命、稳定性等性能，同时还试图进一步降低其生产成本。新研究只需一个简单的步骤就能将香烟过滤嘴转化为高性能的碳基材料，在解决环境污染的同时，满足社会对能源的需求。物理学家组织网8月6日的报道称，这个由韩国首尔大学的科学家组成的研究团队发现，香烟过滤嘴大部分是由醋酸纤维素纤维制成，而这种物质能够通过一步简单的燃烧分解法转化为碳基材料。经过处理，由香烟过滤嘴所制成的碳基材料表面布满了微小的孔隙，对制造超级电容而言，这种结构的材料尤其难能可贵。一个高性能的超级电容材料必须具备较大的反应面积，而这种布满微小孔隙的碳基材料正好能够满足这一条件。不同孔径的组合能够确保由该材料制成的超级电容具有较高的功率密度，能够让超级电容具备快速充电的能力。 实验显示，这种碳基材料所制成的电极能够很好地吸附和释放电荷。此外，还具备较高的容量。由于具有独特的孔隙结构，在用于制造超级电容时，其性能表现甚至优于同为碳系的石墨烯和碳纳米管。

        超级电容具有高功率密度和能量密度、使用寿命很长、尺寸紧凑等特性，当它与其它新兴的电池技术结合使用时，可满足高性能电源应用的需求。本文对这些新的能量存储方案及其使用方式进行了分析。         如今性能和可靠性是每个设计所必需的，对工程师来说，能量存储一直是他们设计中的致命弱点。在过去，备份电源的解决方案就是电池，主要是铅酸电池。而现在，工程师有更多的选择来满足备份电源的需求，包括锂离子、镍氢电池等先进的电池技术、燃料电池、太阳能电池以及双层电容。          锂离子、镍氢电池和其它电池技术在提供可靠的能量存储解决方案上已取得很大进步。它们已在许多设计中得到应用，并解决了以往的许多成本问题，但设计工程师最终仍面临着与使用铅酸电池时一样的问题，即所有这些技术都是基于化学反应，它们的使用寿命有限并受温度的限制，而且对大电流的需求也会直接影响它们的使用寿命。因此，这些电池技术在持久性和可靠应用方面还面临着一些挑战。         燃料电池是新出现的一种非常有吸引力的电池技术，正在逐步进入许多应用中，而近来对它们也有不少的宣传。燃料电池的最终应用领域是在汽车上，但在过渡期间，它们已出现在备用电源市场。将燃料电池用作备用电源以及主电源的关键问题是这些电池的启动时间和动态功率反应。燃料电池尽管具有优异的能量密度，但动态功率低，因此它们需要一种增强技术用于功率辅助和启动。         同期出现的还有超级电容，或者称为电化学双层电容(EDLC)。超级电容与电解电容相比，具有非常高的功率密度和实质的能量密度。在过去几年，这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等许多领域。          如今，最好的超级电容是功率密度高达20kW/kg的超高功率器件，尽管能量仍只有电池的一小部分。超级电容的尺寸非常紧凑(小的超级电容通常只有邮票大小或者更小)，但它们可存储的能量比传统电容要高得多，并且放电速度可以很快也可以很慢。它们的使用寿命非常长，可被设计成用于终端产品的整个生命周期。当与超级电容这个最新技术相结合时，高能量电池和/或燃料电池可实现高功率特性和长的工作寿命。          尽管全球有好几家超级电容厂商提供多种产品，但大多数双层电容基本上是以相似的方式构造的。超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似，主要差别是用到的电极材料不一样。在超级电容里，电极基于碳材料技术，可提供非常大的表面面积。表面面积大且电荷间隔很小，使超级电容具有很高的能量密度。大多数超级电容的容量用法拉(F)标定，通常在1F到5,000F之间。         根据应用需要，超级电容可以替代电池或者作为更小的经济型电池。超级电容的等效串联电阻(ESR)很小，可提供和吸收非常大的电流；它采用“机械式”而不是化学电荷的载流子机制，因而具有很长并可预测的使用寿命，而且随着时间的推移，其性能变化也更小。这些特性能使再生制动以及其它需要快速充电的产品(如玩具和工具)等应用从中受益。          有一些应用适合采用电池/超级电容系统，设计可进行优化以避免电池对能量需求来说过于庞大。这些应用实例包括汽车应用(如混合动力汽车)和消费电子(如数码相机)，在数码相机里，廉价的碱性电池结合超级电容一起使用(而不是使用昂贵的锂离子电池)。         另外一种燃料电池技术是质子交换膜(PEM)，它是一种高效率能量转换器件，其连续工作时间与氢燃料电池相当。它符合绿色环保要求，可以为很多应用提供可靠的备用电源。超级电容和PEM燃料电池系统的几个特性使它们非常适合作为互补器件一起使用。它们都是低电压高电流的器件。超级电容具有ESR小、电荷存储容量大的特性，能迅速提供大电流而电压改变则很小，可对峰值功率需求产生一个短暂的缓冲响应。这使燃料电池可保持其静态工作点而无需降低效率。          在所有备份燃料电池应用中，当主电源断掉后，备份电源需要立刻提供电源。因为燃料电池从启动到满功率运行一般需要10秒到60秒的启动时间，所以它需要一个能量缓冲器。电池或超级电容便可充当这个能量缓冲器。由于所需的缓冲能量很少而可靠性一定要有保证，所以超级电容是这种应用的较好选择。如今，越来越多的燃料电池公司在考虑将超级电容作为整个备份电源封包的一个组成部分。          为满足这种需求，全球的超级电容生产商为备用电源市场提供了许多电池和模块。这些电池和模块能够以并行/串行的形式放置，以满足不同的容量和电压需求。随着更多的超级电容产品问世，以及可用的产品越来越多，设计工程师可像使用其它无源器件一样使用超级电容。          超级电容在成为备用电源的标准器件方面取得了很大进步。大约十年前，超级电容还只是实验室里的样品，每年只有少量销售，每法拉容量的价格在1美元到2美元之间。如今，这些已实现批量生产的器件被视为标准器件，每法拉容量的价格仅0.01到0.02美分。随着超级电容的产量增长以及价格下降，许多设计工程师正在将超级电容作为标准的能量存储器件使用，以满足备份电源对高功率和高可靠性的要求。

密歇根大学(University of Michigan)的工程师称发明了一种针对压电MEMS的 微机械加工 技术，可使传统能源收集器收集的能量增加10倍以上。这个研究小组表示，一个硬币大小的压电MEMS就可以收集足够驱动植入人体内的医疗装置或机动车上的无线 传感器 的电力。   该系统开发者之一的Erkan Aktakka教授表示，无线传感器网络的能源收集市场预计到2015年将达到4.5亿美元。他在该实验室工作，并且是该项目的主任科学家。   该研究小组将若干微机械加工MEMS器件与微型电路元件封装在一起,构成一个完整的仅27立方毫米的振动能量收集器。这种微型装置以1.5g振动，可以收集频率14~155次/秒(Hz)的振动能量，以产生约200mW功率。该能源收集器对一个 超级电容 充电至1.85V，然后由它替换电池驱动无线传感器。研究人员估计这种能源收集器可以无损耗重复使用10到20年。   设计的细节将在北京举办的2011传感器杂志固态传感器、执行器与微系统国际会议(Transducers 2011)(6月5日——9日)上披露。   自给式能量收集器通过体微机械加工的压电MEMS将振动转化为电能   《电子工程专辑》网站版权所有，谢绝转载   原文链接：http://www.eet-china.com/ART_8800641687_628868_NT_885b4246.HTM