用于汽车应用的高性能超级电容器

超级电容器概述

用于存储电能的化学电池的一种替代品是超级电容器。超级电容器也称为双电层电容器（EDLC），由涂有多孔材料的电极制成，该材料通常是碳基的，由本身被膜隔开的电解质隔开。典型的超级电容器结构如下图所示。

图1 超级电容器的基本结构

与电池不同，超级电容器通过物理吸附和离子在其电极之间的电解质中的解吸来快速存储和释放能量。当两个不同的固相和液相接触时，正电荷和负电荷在界面上分布在很小的距离上。沿该边界表面的电荷层称为“双电层”。下图显示了双层及其像电容器一样存储能量的主要功能。

图 2：（a） 双电层和 （b） 施加外部电压的电容器

碳基材料的现代进步使多孔电极具有较大的表面积，从而具有高电容密度和较小的物理尺寸。如此高的容积效率使其成为替代小型二次纽扣电池的理想选择。用于在超级电容器中储存能量的离子过程也相对较快。该设备可以在几秒钟内充满电，而典型的电池单元可能需要十分钟到几个小时才能充满电。此外，超级电容器的生命周期没有理论上的限制，而锂离子二次电池的有限寿命约为500个周期。

对于所有器件类型，电解质特性决定了超级电容器的整体端电压。充满电时的电压通常小于3V。构建超级电容器的传统方法与纽扣电池相当：下部和上部金属外壳通过锻件连接以包围碳电极和有机电解质。

凭借高生命周期和快速充放电时间等功能，小型电池超级电容器可以将纽扣型电池从物联网设备、智能电表或医疗设备到汽车电子和工业计算等设备的备用电源任务中取代出来。

汽车超级电容器

在汽车应用中，随着连接性和自动驾驶技术在现代车辆中越来越受欢迎，断电期间的系统备份需求变得越来越重要。然而，汽车环境异常恶劣，高温、潮湿和振动。传统的电解电容器和电池在高温条件下会随着时间的推移而变干，导致串联电阻增加和电容退化。

在这些情况下，可以使用专用超级电容器，使设计工程师摆脱有限电池寿命的限制。此外，超级电容器的良性开路故障模式与可能导致放气或点火的典型短路电池故障形成鲜明对比。因此，超级电容器是小型备用电池最具成本效益的替代品，可以存储足够的能量来提供从几秒钟到几天的备用，具体取决于负载类型和电流需求。

科美超级电容器

KEMET 的微型超级电容器是一种使用独特的水性电解质溶液的双电层电容器，该溶液起源于 1978 年世界上第一款商用电容器 NEC 的双电层电容器。KEMET 是世界上唯一一家使用水性电解质溶液的超级电容器生产商。水性电解质具有高导电性、低环境影响、无毒且不易燃的特点，具有强大的性能和安全性。与有机化合物相比，它们通常还具有更大的吸湿性，从而具有更长的使用寿命和更好的稳定性。

KEMET 的稀硫酸电解质即使在高温高湿条件下也能保持高耐用性。专有的隔膜由高耐热材料开发而成，即使长时间使用后孔径也不会闭合，以提高高温下的坚固性。KEMET 的小型电池超级电容器具有高强度硫化橡胶粘合，可确保防止液体电解质泄漏。图3所示的横截面解释了这些超级电容器的构造方式，包括水性电解质、橡胶电极和隔膜。

图 3：KEMET 超级电容器结构

这些特性使 KEMET 的超级电容器成为高可靠性、恶劣环境（包括汽车应用）的理想选择。KEMET 发布了两款符合汽车测试协议的超级电容器。这些电容器在 ISO TS 16949 认证的工厂制造，并经过 PPAP/PSW 和变更控制。

图4显示了一款这样的产品FMD0H105ZF，它提供0.33F和5.5V。这款高容量超级电容器采用树脂模制封装，可实现卷带封装，并与自动安装兼容。它是世界上第一个在1°C-000%的高温高湿环境中额定使用85，85小时的超级电容器，并且还符合汽车测试协议，工作温度范围为-40°C至85°C。

图 4：KEMET 的新型 FMD0H105ZF 超级电容器及其结构

图5描述了另一种产品FU0H105ZF超级电容器，该产品在1.5V时提供5F，外壳由密封金属罐制成。该产品符合汽车测试协议，是一款长寿命器件，在 4°C 下运行超过 000，85 小时。 这种恶劣环境的寿命相当于汽车仪表板附近的任务剖面时的 10 年寿命。

图 5：KEMET 的新型 FU0H105ZF 及其结构

这些产品的端子材料经过优化，可提高对高湿度、热冲击和振动的抵抗力。特别是FU0H105ZF，由于采用了独特的电池堆叠技术，经过精心设计，无需增加接触电阻。

结论

在许多备用电源应用中，超级电容器为电池提供了高性能替代品，可提供更长的循环寿命，并且设计人员无需担心电池更换或充电。使用 KEMET 水性电解质的最新超级电容器是汽车市场所需的高电压、长寿命和耐环境性的尖端储能器件。KEMET 的新型超级电容器非常适合用于汽车、医疗、航空航天、工业和其他需要高可靠性性能的领域。