一文看懂什么是超级电容?

1.前言

近年来,村田制作所开始了在多层陶瓷电容器上追加新品种的电容器事业,提供面向更多用途的解决方案。本文介绍了村田超级电容的构造,特征以及与其他电容器等的比较。

2.何为超级电容?

2-1 超级电容的构造

超级电容(EDLC:双电层电容器)是指像陶瓷电容器和电解电容器一样没有电介质的电容器。取而代之的是,它使用的是固体(电极)和液体(电解液)在界面上形成的电气双层(双电层)的状态来取代了电介质。

图1是超级电容的构造图。一般来说,超级电容是有电极和电解液(含有电解质盐)以及分离器(防止正电极和负电极的接触)构成的。电极的构造是在集电气上涂有活性炭粉末。电气双层是每个活性炭粉和电解液接触形成的界面。给超级电容充电的话,正极是负离子和空孔,负极是负离子和电子夹着界面排列。该离子和电子(空孔)排列的状态被称为电气双层。这是通过离子的物理移动而形成的,因此不会伴有电池那样的化学反应。因此超级电容充放电循环特性优越。电极中使用了活性炭是导致电极表面积扩大的原因。活性炭表面有细小的孔,因此表面积增大。而表面积越大就越能更多的蓄电,因此超级电容实现了非常高的静电容量。

图1:超级电容的构造

此外,一言以蔽之通过其形状和构造图也可以得出图2的结论。这就是村田的超级电容的层压型。与其他形状的对比之后再赘述。 

图2:超级电容的形状

2-2 村田制作所超级电容的优势

2-2 (1) 村田超级电容的主要优势:

  • 小型超薄的封装 (LWT:14.0mm×21.0mm×3.2mm~)
  • 低ESR!!输出电压高,静电容量高 (DMF系列例:45mΩ、5 5V、470mF)

         与电池和一般的超级电容相比,可达到大电流和高输出的输入输出。详细请参考2-2 (2)、(3)。

  • 优化了的充放电循环寿命

          2-1中已经说明过的,因为没有伴随着化学反应的充放电构造,可实现10万此以上的充放电。

  • 适用于高可靠性

高机密性的封装和电气化学系统,与其他的超级电容相比它严格地控制了特性劣化的可能性。详情参考2-2 (3)。

2-2 (2) 与其他电容器和电池的比较

图3横轴表示静电容量,纵轴表示额定电压。与其他电容器相比时超级电容的定位就显现出来了。陶瓷电容器对应了范围较大的电压,电容最大达到了数百μF。针对这种情况,村田的超级电容的容量达到了从数百mF到1F,比其他电容器的容量要高。

图3:具有高静电容量的村田制作所超级电容

其次,与电解电容器和电池做比较,来说明超级电容的能量和功率。图4中,横轴表示能量密度存储多少电荷,纵轴表示功率密度瞬间能释放多大的电。电池能蓄很多电,但是瞬间释放的电就很少。而相反的电解电容瞬间放电很多但是蓄电能力很小。村田超级电容则兼顾了这两种性能。也就是与其他电容器相比具有高能量,而与电池相比具有大功率。

图4:功率密度和能量密度的比较

2-2 (3) 与其他超级电容的比较

正如2-1中提到的,超级电容中有图2所示的各种形状的产品。

图5纵轴是释放的电流与横轴放电时间、各形状的超级电容的放电特性的比较。硬币型的电流少因此放电时间长。这就是一般的超级电容。层压型的电流大,电流瞬间流过。村田的超级电容也满足了这点。气缸型是中间的那个。也就是说,村田的超级电容适用于需要瞬间大功率的产品。

图5:各种超级电容的放电特性的比较

而且,正如前述所说村田的超级电容具有高可靠性。一般来说,超级电容会发生由于外部渗入水分导致的老化变质。此外,还会引起电解液干涸的不良状况。村田制作所的超级电容改善了此类状况。水分会从封止部分向包装的内部浸入。村田制作所的超级电容为了防止水分浸入在封止部分进行了小设计(图6)。因此,与受到水分较大影响的圆柱型电气双层不同的是,控制了水分带来的损害。这个小设计的封止部分,还承担着防止由于电解液蒸发导致的干涸不良的作用。因此,实现了与一般的超级电容相比更高可靠性的特征。

图6:实现高可靠性的优化了的封装

3.结语

村田的超级电容不仅实现了小型薄型化,还实现了高功率、高能量化。可靠性高,可供在广泛用途中使用。