电容容量的关键：微小的设计变革可以重塑超级电容器的未来

2018-12-19 15:01

当我们关注能源和能量存储应用领域时，我们会发现电容器是该领域的“无名英雄”。作为无源器件，电容器有两个端子，可存储能量并在需要时释放能量—常常用来作为“备用”电源。在日常生活中，电容器的用途比我们想象的还要广。例如，电容器可以用到闹钟等简单日常用品，我们还可以常备一个荷电电容器，以便在断电时应急使用。还是拿闹钟举例，如果电源断开，电容器就会放电——向时钟电路输送电流，以确保其继续运行。随着电容器的应用越来越广，新型电容器正在不断进入市场，超级电容器（又称双电层电容器，EDLC）现在也被更大规模的使用。新能源汽车，诸如纯电动车、混合动力汽车和电动巴士等都依赖于超级电容，因为它们具有比标准电容器大得多的电荷存储空间，此外一些大功率和再生能源应用领域也在利用超级电容技术。其他应用领域包括国防、能源、航空航天以及各种工业应用。

电容器和超级电容器的用途

汽车领域是电容器和超级电容器的关键市场，汽车的许多功能为电容器提供用武之地。启动／停止功能和动力转向需要电容器，混合动力汽车驱动需要超级电容器具有更大的功率容量。随着电动汽车不断发展并进入主流汽车市场，对电容的需求将进一步增加。未来技术进步有可能使超级电容器取代锂离子电池作为动力源，并提供与汽油车甚至柴油动力汽车相当的行驶里程。

铁路行业也开始充分挖掘超级电容器技术的应用潜力。比如由西班牙萨拉戈萨市的铁路公司CAF制造的Urbos 3有轨电车，其使用一系列超级电容器，这些超级电容器位于车厢上部，用于回收刹车能量——可节省35％的电力。超级电容器可在电车停靠站充电而不需要架空电缆，也可在某些停靠站之间运行而无需使用电缆连接。

在再生能源领域，超级电容器在风力涡轮机等应用中具有重要地位。涡轮机的叶片必须定期调整，以确保涡轮机在符合风力条件的最佳水平下运行，并避免机械压力（应力）。为此，必要时要使用桨距控制系统进行调节。如果电源出现故障，超级电容器可接通并输送足够大的能量，使叶片间距返回到安全位置，并关闭涡轮机，而电池电源并不一定能够实现这种功能。

超级电容器在光伏（太阳能）和波浪发电应用的未来发展中会发挥关键作用。光伏发电技术和波浪发电技术在输出功率方面都有波动性。超级电容器可减轻这种效应：通过称为“匀化”的工艺，超级电容器有助于提供更恒定的功率水平。太阳能和波浪能应用都产生交流（AC）电压，该电压必须通过桥式整流器转换成直流（DC）电压。然而，如果在不使用电容器的情况下使用该电源，则当电压在0V与最大电压之间振荡时，该供电电源输出电压将会出现波动。举例来说，如果将该电源用于灯泡，则灯泡将忽明忽灭。电容器通过在输出电压增加时恒定地存储能量并在输出电压降低时恒定地释放能量，确保电源平稳输出不会中断。该工艺的实施可延长这些应用中昂贵的专用组件寿命，最终使它们成为更加可靠的清洁能源。

铝电解电容器的挑战

铝电解电容器和超级电容器有一个弱点：在使用寿命期间容易发生电解质干涸——这通常是电容端子密封不完善造成的。少量湿气会穿透密封材料，导致气体在电容器内部积聚。电解质干涸导致性能持续劣化，抵消这种效应必须使用更大的尺寸或使用两个电容器。电解质的缓慢和连续蒸发可导致高达20％的容量损失，效率损失很大。

常用于密封电容器端子的聚合物密封件是电容器结构中的薄弱环节，且具有易导致损害性湿气渗入和蒸发损失电解质的缺点。与所有有机材料一样，聚合物易老化并随着时间变脆，随后失去气密性。当水汽渗入通过缺陷密封件时，电解质随后蒸发，最终导致容量和寿命显著损失。

提高气密性，有助于提高电容器的容量和寿命

电解质泄漏的补救措施是使用电容盖。通过特殊玻璃密封件代替由有机化合物制成的密封件，电容器端子可密封到铝盖中。这可以防止湿气经过电极端子进入电容器，并消除电解质干涸的问题。由于玻璃是无机材料，玻璃密封件保持永久密封性，因为它们不会随时间老化或磨损。玻璃密封盖子可定制，以满足小罐和大罐型电容器的广泛应用－包括径向型、轴向型、卡扣型，超级电容器和双电层电容器。玻璃－铝密封（GTAS®）是玻璃专家SCHOTT专为高能量密度电容器和电池开发的一项新技术。该设计来源于该公司在1939年研发的特种玻璃和玻璃－金属密封方面的专业技术。

玻璃－铝密封（GTAS®）具有广泛的外在优势。玻璃－铝密封的使用温度范围广泛，可耐受从－40 °C到＋150 °C的温度。提高密封性还意味着同样大小或更小尺寸的电容单元可拥有更高的电容量。非老化玻璃密封的可靠密封性不仅延长产品保存期，还延长产品的使用寿命，即使在恶劣的使用环境下。