锂离子电容器：一种有效的EDLC替代品

　　传统的双电层电容器(EDLC)在自放电特性、能量密度、可靠性、寿命和热设计方面都有许多明显的缺点。太阳鱼登锂离子电容器克服了这些问题，是一种有效的替代EDLCs。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。

　　EDLCs于20世纪70年代首次在日本制造，20世纪90年代开始出现在各种家用电器中。EDLCS通常用于防止突然瞬时下降或中断电源。它们可以瞬间输出大量的电量，而电池则不能。它们经常被用作集成电路、处理器、存储器等的服务器和存储设备的备用电源。

　　虽然EDLCS旨在成为备用电源，但传统的EDLC遭受称为自放电的现象，其中电容器将随时间逐渐失去其电荷。在高温环境下，自放电可以发生得更快。

　　锂离子电容器极低的自放电，即使在高温环境下，也能保证长时间的充电。

　　此外，锂离子电容器没有热失控的风险。在设计锂离子电容器时，不需要额外的热设计考虑，空间或部件是必要的。

　　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补充电源，即使在瞬间的电压下降也可能是关键的。它们用于补偿太阳能电池板的不均匀电压水平，甚至补偿小设备中的主要电源。最重要的是，锂离子电容器正在成为服务器和其他设备中电源中断的首选备份解决方案。

　　锂离子电容器与EDLCS的原理和特点

　　锂离子电容器是使用碳基材料作为可掺杂锂的负极的混合电容器。就像传统的EDLC一样，他们使用活性炭作为正极。

　　锂离子电容器结构的图像

　　图1：锂离子电容器结构。

　　与负极电连接的金属锂在与电解液浸没的同时形成局部电池。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下降到3伏或更低，因为负极的电势几乎与锂的电位相匹配。因此，与常规EDLCs的充电/放电电位相比，通过在正极上使用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。

　　EDLC的图像与锂离子自放电特性

　　图2：EDLC对锂离子自放电特性的影响。

　　自放电特性

　　锂离子电容器的一个主要特点是其优异的自放电特性，通过将锂预掺杂到负电极来稳定负电极的电位来实现。图3示出了圆柱形40法拉第锂离子电容器在25℃下充电3.8小时时的自放电特性，以及其电容与锂离子电容相似的对称型EDLC的自放电特性。如图2所示，对称型EDLC具有大的自放电。在25℃下一个月后，其电压下降到初始电压的80%。相比之下，锂离子电容器表现出更好的自放电。在25℃的温度下，即使在100天后，它也能保持超过3.7伏特的电压。

　　相似的40法拉第锂离子和EDLC器件的自放电图像

　　图3：类似的40法拉第锂离子和EDLC器件的自放电。

　　浮充特性

　　在图4中示出了圆柱形锂离子电容器和对称EDLC的浮充特性(连续充电)，其电容与锂离子电容器在70℃的温度下几乎相同。锂离子电容器的特点之一是，即使在高电压充电3.8伏时，电容器也能将其在正极上的电位降低到小于常规对称EDLC的电位，从而防止其浮充电荷劣化，并使其高度可靠。

　　类锂离子与EDLC器件的浮充特性图像

　　图4：70°C下类似的锂离子和EDLC器件的浮充特性。

　　此外，在3.5 V充电下，圆柱形锂离子电容器在85℃高温下的浮充特性(连续充电)显示出良好的效果，约5000的初始电压维持在5000小时后。

　　锂离子电容器浮充特性的图像

　　图5：锂离子电容器在85°C的浮充特性。

　　充放电循环特性

　　与锂离子二次电池不同，锂离子电容器是化学稳定的产品，其使用离子的吸附-解吸反应，使得它们不会在充放电循环期间在正极上引起结晶变化。此外，锂被预先掺杂到负极的碳基材料上，并且锂离子电容器可以被设计成降低负极中锂离子的可用性。这使锂离子电容器具有优良的充放电循环特性超过100000倍，相当于传统对称型EDLCS。这些应用中的一些已经在实际使用中。

　　温度特性

　　即使在低温下也能获得稳定的放电，即使在低温20℃下也能达到60%以上的体积保持率。此外，在极低的温度下，即使在受到电压下降的影响时，仍能保持大约50%的大容量保持率。离子在电解质溶液中的迁移率较小。由此可知，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，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。

　　由于该锂离子电容器的电容在3.8 V～2.2 V范围内为约88毫安，锂离子电容器具有1库仑至100库仑的强放电率特性。由于锂离子电容器可以在100库仑放电率下获得约60%的放电容量，因此可以说是一种在高输出应用中具有优良放电特性的电容器。在200法拉的圆柱形锂离子电容器和一个尺寸与锂离子电容器相似的常规对称EDLC的RAGON图比较中，锂离子电容器的能量密度为8.6瓦/千克，远大于1.5瓦/千克的能量密度。NED EDLC

　　高锂离子电容器能量密度的图像

　　图6：更高的锂离子电容器能量密度比ELDCS节省空间。

　　节省空间

　　由于它的高能量密度，可以用一个锂离子电容器替换多个EDLCs。在诸如使用几十个EDLCs的服务器和集成电路的应用中，这可以节省大量的空间，允许在每个组件之间空间或更多空间的整体减少。利用较少的电容器也有助于通过减少发热部件的数量来改善热设计。

　　锂离子电容器的安全性

　　在负极上使用由锂离子掺杂的碳基材料，可能会引发类似于锂离子电池(LIB)的安全问题。然而，它们的正电极的材料成分是非常不同的：LIB使用金属氧化物，锂离子电容器使用碳基材料，例如不含氧的活性炭。这就区分了当内部短路发生时它们的反应。

　　在LIBS中，当发生内部短路时，内部电池的温度由短路电流上升。负电极和电解液之间的后续反应导致内部电池的压力增加，随后在正电极上的晶体崩塌，并且在正电极的氧化产物中释放氧。这会导致另一种热失控，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蒸发，可能会发生点火或爆炸。

　　相反，锂离子电容器内的电池内部压力也会升高，但由于正极材料的差异，不会发生热失控现象，反应会随着安全阀的打开而安静地完成。

　　因此，锂离子电容器不会引起任何严重的事故，例如火灾或爆炸，即使内部短路或其他事故发生，由于其正极材料与LIBS相比的差异。锂离子电容器可以说是作为传统的非水溶剂基EDLCS的能量器件的逻辑上安全的。下面是一个200法拉缸型锂离子电容器的钉穿透测试的结果，假设一个实际的内部短路。

　　200圆柱形法拉第锂离子电容器穿甲的图像

　　图7：指甲穿透到200圆柱形法拉第锂离子电容器的结果。

　　这些结果表明锂离子电容器是一种安全的装置。即使电池的外壁温度在短路后增加到100℃，温度也逐渐降低，电池不会引起严重的变形或爆炸等问题。利用这些结果，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，例如它不引起热失控，即使内部电池温度升高，不像LIBS，并且它不包含任何金属氧化物作为正极材料。此外，如果发生内部短路，则由于负电极的电位不超过Cu的洗脱电位，所以不可能从负电极基材中洗脱的内部短路。

　　锂离子电容器的应用

　　备用电源在服务器和存储设备中用于集成电路、处理器、存储器等。锂离子电容器是理想的紧凑，高温空间，因为它提供的能量密度高达四倍的EDLCS，优越的热性能特性，电压保持随着时间的推移和低恶化的浮动充电。

　　小型电器的电源，采用快速充电、轻量化和低自放电功能。

　　与光伏电池或风力发电机(如凸起标记、发光负载标志、路灯或小LED照明)相结合的能量器件。

　　用于节能装置的辅助电源装置(如复印机中的快速鼓式加热和投影机启动)。

　　用于汽车的计算机设备，如怠速停止装置，用线缆驱动记录器和制动器。

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