锂离子电容器：一种有效的EDLC更换

个公认的能源解决方案，传统的双电层电容器(EDLC)具有与自放电特性，能量密度，可靠性，寿命和散热设计许多著名的弊端。太阳诱电锂离子电容器克服这些问题，并且是一个有效的替代品的EDLC。锂离子电容器是混合电容，显示了EDLC和锂离子二次电池(LIB)的最佳特性。双电层电容器首先在日本20世纪70年代创建的，并开始出现在20世纪90年代各种家电。自2000年代，它们已被用于在移动电话和数码相机。双电层电容器通常用于防止突发性瞬时下降或电力中断。他们可以在瞬间输出大量的功率，而一个电池不能。它们经常被用作后备电源在服务器和存储设备的集成电路，处理器，存储器等等。同时的EDLC旨在是备用电源，常规的EDLC患有这种现象被称为自放电，其中该电容器会逐渐失去它的电荷随着时间的推移。自放电可以在暴露于高温环境中发生得更快。极低的自放电锂离子电容器，即使在高热量环境下，保证了持久的费用。此外，锂离子电容器具有热失控的危险。没有额外的热设计的考虑，有一个锂离子电容器进行设计时空间或组件是必要的。使用锂离子电容器的稳步增长。他们越来越多地依赖于作为补充电源制造和医疗设备，甚至瞬间电压降可能是至关重要的。它们用来补偿不平衡电压等级的太阳能电池板，甚至在小型设备的主要动力源。最显著，锂离子电容器正在成为在服务器和其他设备电源中断一个优选的备份解决方案。

原理与锂离子电容器的特点相比，双电层电容器

锂离子电容器是使用碳系材料作为能与锂掺杂在负极混合电容器。正如在常规的EDLC，他们使用的活性炭用于正极。

图1：锂离子电容器construction.Metallic锂，电连接到负电极，形成在同一时间作为电解液的浸入局部电池。然后，锂离子的掺杂开始于在负极的碳基材料。一旦掺杂完成后，锂离子电容器的初始电压降低到小于或等于3V作为负电极的电势几乎匹配锂。因此，相对于充电/放电的常规的EDLC的电势，一个较高的电压，可以通过使用锂离子电容器未经高电位在正电极，这导致在锂离子电容器改进的可靠性得到。

图2：EDLC VS锂离子自放电特性。

自放电特性

锂离子电容器中的一个主要特征是其优良'的自放电特性“，由预嵌入锂的启用到负电极以稳定负电极的电位。图3显示了圆筒式40法拉锂离子电容器充电24小时，在3.8V时在25℃和一个温度那些对称型双电层电容器，其电容是类似于锂离子电容器的自放电特性。正如图2所示，对称型EDLC具有大的自放电。一个月25℃下后，其电压下降到80%的初始电压。与此相反，在锂离子电容器示出好得多的自放电。它可保持在3.7 V，即使100天电压后25摄氏度的温度下。

图3：类似40法拉锂离子电池和超级电容器装置自放电。

浮充电特性

一个圆柱型的浮动充电特性(连续充电)锂离子电容器和对称的EDLC其电容是70℃的温度下几乎类似的锂离子电容器示于图4中的一个的锂离子电容器的特性是即使以高电压充电的3.8伏，电容器可以降低在正电极的潜力低于常规对称的EDLC，其阻止了它们浮动充电的恶化，使它们高度可靠的。

图4：浮法类似的锂离子电池和超级电容器装置的充电特性在70℃。此外，在充电3.5V，一个圆柱型锂离子电容器85℃的高温下的浮动充电特性(连续充电)示出了具有约80%的保持甚至5,000个小时后，将初始电压的良好的结果。

图5：浮法锂离子电容器的充电特性，在85°C。

充/放电循环特性的

不像锂离子二次电池，锂离子电容器是化学稳定雇用离子的吸附 - 解吸反应的产品，使它们不会导致在正电极的充电 - 放电循环过程中的结晶转变。此外，锂掺杂到负电极的碳基材料预先与锂离子电容器可以被设计为降低在负极锂离子的可用性。这给出了10万次以上的锂离子电容器优异的充/放电循环特性，相当于常规对称型双电层电容器的。这些应用已经在实际使用。

温度特性

获得即使在高温下稳定的放电和60%以上的体积维持率是即使在-20℃的低温下实现的。此外，约50%的强体积维持率在极低的温度达到，甚至当受电解液造成的离子的迁移率较小的电压降。与，很清楚的是，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，3.8伏，的最大电压比对称型双电层电容器的更高，且电容量的两倍的EDLC的。因此，锂离子电容器的能量密度是四倍的EDLC的。作为该锂离子电容器的电容为约88毫安，在3.8 V至2.2 V的范围内，该锂离子电容器具有1库仑〜100库仑强放电速率特性。因为它可以在100库仑放电速率得到约60%的放电容量的，锂离子电容器，可以说是与在高输出的应用优良的放电特性的电容器。在一个圆柱型的200法拉锂离子电容器和常规的对称的EDLC，其大小是类似于锂离子电容器的Ragone曲线比较，锂离子电容器的能量密度为8.6瓦时/千克，大得多(约6.5倍)，比1.5瓦时/公斤的常规EDLC的。

图6：比ELDCs结果节省空间更高的锂离子电容器的能量密度。

节省空间

由于其高能量密度，多个的EDLC可以替换为一个锂离子电容器。在应用中，如服务器和使用几十的EDLC的集成电路，这会导致显著节省空间，从而允许为每个组件之间的整体减少在空间或更多的空间。使用较少的电容器也有助于通过降低发热元件的数量提高热设计。

锂离子电容器的安全性

用在负极由掺杂锂离子的碳系材料可以创建有关的安全性，类似锂离子电池(LIB)的担忧。然而，它们的正极的材料组合物是非常不同：LIB采用金属氧化物及锂离子电容器用碳系材料，如活性炭，不含有氧气。这种区分他们的反应，当内部短路发生。在LIBS，当内部短路发生时，内部电池的温度由短路电流上升。负电极和电解质溶液之间的下列反应导致增加的电池内的压力，其次是晶体的崩溃在正电极和氧中的正极的氧化产物的释放。这会导致另一个热失控，和，在某些情况下，点火或爆炸可能发生由于进一步上升的电解液的内部单元和汽化的压力。与此相反，电池的内部压力也上升在锂离子电容器，但在此之后，由于材料在正电极中的不同，热失控现象不会发生，将反应悄悄与安全的开口完成阀门。因此，锂离子电容器也不会造成任何严重的事故，例如通过即使内部短路或其它意外事故发生时，由于它的正电极相比，LIBS材料的差的热失控火灾或爆炸。锂离子电容器，可以说是逻辑上安全的能量装置，以往的非水溶剂系的EDLC的。下面是一个钉刺试验到200法拉圆柱型锂离子电容器的结果，假定一个实际的内部短路。

图7：一个钉刺到200圆柱形结果法拉锂离子电容器。这些结果表明，锂离子电容器，是一种安全的设备。即使的细胞的增加的外部壁的温度短路后100ºC，温度逐渐降低，所述细胞不导致严重的问题，如主要的变形或爆炸。与这些结果中，该锂离子电容器等效于对称型双电层电容器中的安全性。此外，它具有许多功能，例如，它不会引起热失控，即使上升内部单元温度，不同于LIBS，并且它不含任何金属氧化物作为正电极的材料。此外，如果发生了内部短路，从负电极的基体材料的洗脱内部短路不可能作为负电极的电势不超过Cu的洗脱潜力。

锂离子电容器的应用

•在服务器和存储设备的集成电路，处理器，存储器和更多的备用电源。的锂离子电容器非常适合紧，高温的空间，因为它提供了能量密度高达四倍的EDLC，优异的热性能特性，电压保持时间和浮充电的低劣化。

•电源的小家电，应用快速充电，轻量，低自放电特性。

•能源设备结合光伏电池或风力发电机(例如凸起的标记，发光负载标志，街道信号灯，或小的LED照明)。

•辅助功率器件为节能装置(如复印机和在启动时对投影快速鼓加热)。

•汽车计算机设备，如怠速停止装置，硬盘录像机和制动器用导线。