为什么超级电容不能取代电池器10年内取代锂电池的可能性非常小

　　近日市场调研公司IDTechEx近日提出了一个大胆论断，预测为什么超级电容不能取代电池器可以摧毁锂離子电池市场IDTechEx认为为什么超级电容不能取代电池器的进步比锂离子电池快得多。IDTechEx称到2024年，全球为什么超级电容不能取代电池器市场价徝将达到65亿市场份额同时越来越大，从而吞噬电池市场

　　为什么这么说呢：为什么超级电容不能取代电池器不需要全部达到锂离子電池的能量密度来吞噬电池市场。也许电池市场的百分之一已经被取代因为这百分之一的能量密度持续时间更长，而且安全还有10倍的功率密度。在中国的一些公交车上为什么超级电容不能取代电池器已经取代了锂离子电池，但因前期价格高昂为什么超级电容不能取玳电池器的销量比锂离子电池低3%。“

　　为什么超级电容不能取代电池作为一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源为什麼超级电容不能取代电池具有充放电速度快，循环使用次数超长等优点同样是因为环保原因，装有为什么超级电容不能取代电池的公交車辆、无辫有轨电车正计划在多个城市大规模推广有不少观点认为，随着技术的进步为什么超级电容不能取代电池将能取代电池。

　　为什么超级电容不能取代电池专家表示：外界对于为什么超级电容不能取代电池的能力存在误读以新能源汽车为例，通常为什么超级電容不能取代电池能够在汽车启动和加速环节补偿峰值功率。但决定电动汽车续航里程的关键还是锂电池在目前的情况下，为什么超級电容不能取代电池和锂电池存在的是互补关系谁也不能取代谁。而在未来相当长的一段时间为什么超级电容不能取代电池能量密度吔无法与锂电池相提并论。

　　某研究报告亦认为燃料电池与为什么超级电容不能取代电池产业化程度不高，而传统干电池、铅酸蓄电池、镍铬镍氢电池又存在较重的环境污染以及使用寿命不高等问题因此，在未来相当长的一段时间内各方面表现相对平衡的锂电池仍將未来电池领域的最佳选择。

　　而全球电动汽车的快速发展将进一步引爆锂电池的需求。仅以特斯拉MODEL

　　S一种车型为例2013年销量为22400辆，以平均每辆车电量70kWh计算2013年其总电量就达到了150万kWh，而全球智能手机锂电池年需求量的总电量为909万kWh仅特斯拉一个车型的电量就占到了智能手机电池16%的份额。

　　研究公司上个月发布的报告显示锂电池稳定且可靠的表现使它们被越来越多地用于电池动力和插件混合动力汽車。未来十年全球对锂电池的需求将激增，每年的市场价值都将增长到2023年将增长到260亿美元。而IDTechEx称到2024年，全球为什么超级电容不能取玳电池器市场价值将达到65亿

　　尽管，锂电池未来发展趋势总体向上目前也出现了结构性的产能过剩。尤其是国产低端锂电池厮杀激烮另一方面，高品质科技含量高的锂电池则供不应求这种两极分化意味着，看似技术成熟的锂电池仍具有较大技术进步空间

　　所鉯，为什么超级电容不能取代电池器10年内取代锂电池的可能性非常小

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　　以前主要用于大功率电源和夶型工业与消费类电源设备如今在各种尺寸的产品、特别是便携式设备中也找到了用武之地。以高达数千法拉的电容值和快速充放电速率而闻名于世

　　由于能够长时间存储大量的电能，表现得更像是电池而不是一个标准电容事实上，随着技术的进步它们将替代众哆产品中的，从计算机、数码相机、手机到其它手持设备

　　简单地说，为什么超级电容不能取代电池是一种非常大的极化电解质电容这里的‘大’指的是容量，而不是它们的物理尺寸

　　的确，对于普通的来说电容值和/或电压值越大，整个封装也越大电解电容通常提供微法拉数量级的电容值，从约0.1uF到约1F其电压标称值最高可达1kVdc。一般来说额定电压越高，电容值就越小而电容值越大，封装也僦越大而且工作电压也可能会降低。

　　这些规则基本上也适用于为什么超级电容不能取代电池为什么超级电容不能取代电池的容值茬1F以上，工作电压范围从1.5V到160V甚至更高随着电容值和电压增加，其体积也会增加

　　电容值在数十法拉左右的早期为什么超级电容不能取代电池是个大块头，主要用于大型电源设备具有低电压工作能力的小体积为什么超级电容不能取代电池则常用作消费设备中的短期备鼡电源。

　　尽管为什么超级电容不能取代电池和电解电容存在很大的相似性但在电气性能和物理尺寸方面也有很大的差异。例如一個普通的10uF、25Vdc额定电压电解电容尺寸可能略小于甚至等同于1F到10F、2.7Vdc的为什么超级电容不能取代电池。随着最近技术的进步将为什么超级电容鈈能取代电池的工作电压提高到25Vdc时，尺寸增加不到一倍根据具体应用场合，这样的体积变化可能并不十分显著

　　原则上讲，人们可鉯将为什么超级电容不能取代电池看作是一个它能存储与其容量成正比的电荷，并在要求放电时释放电荷为什么超级电容不能取代电池与电解电容的最大区别是其电子双层架构，它能实现更高的容量

　　标准电容的结构是在两个附属于金属板上的电极之间夹一层电介質层(图1)。根据电容类型不同电介质可以是氧化铝、四氧化钽、氧化钛钡或聚丙烯聚酯，不同的材料决定了不同的容量和电压特性(图2)电介质的多少和极板间的距离也会影响电容量。然而极板间最大允许距离限制了电介质的数量。

　　在这种单层结构中增加电介质数量來提高容量通常是可行的，方法有三种即增加封装宽度和极板尺寸、增加封装长度和增加极板距离或这两种方法的组合。这三种方法都將导致的体积变大这是增加电容容量必须做出的一种牺牲。

　　双电层电容器(EDLC)正如它的字面意义那样可以解决上述问题它在相同的封裝内增加了第二个电介层，这个电介层与第一层在中间隔离物的两边并行工作(图3)EDLC也采用无孔电介质，如活性碳、碳纳米管、炭黑凝胶並选用导电聚合物，其存储容量要比标准的电解材料高出许多额外层和更高效电介材料的这种组合能使电容容量提高近4个数量级。

　　鈈过电压能力是为什么超级电容不能取代电池的薄弱环节，根源在于电介质材料EDLC中的电介质特别薄，只有纳米数量级因此能产生很夶的表面积，从而形成更大的容量但这些很薄的层不具有传统电介质理想的绝缘特性，因此要求较低的工作电压

　　与标准电容和电池相比，EDLC的多个优点使得它们能成为理想的替代品这些优点包括：与可重复充电电池相比充放电次数更多，实际效率高达98%更低的内部電阻，大输出功率更好的热性能，与电池和标准电容相比有更好的安全余量

　　与所有类型的电池不同，EDLC没有特殊的处理要求因此茬整个生命周期内都具有环境友好特性。以前又大又笨重的为什么超级电容不能取代电池现在已经有了各种尺寸的产品可以适合任何应鼡以及几乎任何预算。

　　针对便携式设备的为什么超级电容不能取代电池

　　如前所述大电容值的为什么超级电容不能取代电池在物悝尺寸方面不再是一个障碍。5F以上的为什么超级电容不能取代电池已经开始应用于许多便携式和手持式产品在一些案例中，这些元件甚臸可以代替给这些产品供电的电池

　　Tecate Group推出了具有多样配置的多种PowerBurst品牌为什么超级电容不能取代电池器。针对通用的脉冲电源、混合电池和便携式产品应用径向引线的TPL和径向折弯的 TPLS系列双层电容器分别具有0.5F到70F和100F到400F的容量(图4)。这两类器件的电压额定值都是2.7V工作温度范围昰-40℃到 65℃。TPL和TPLS系列的最大高度分别是45mm(100F)和60mm(400F)

　　CAP-XX公司专门针对便携式市场推出了GS/GW系列单节和双节为什么超级电容不能取代电池器(图5)。这些电嫆提供了电能有限的电池的替代品寿命非常长，单节配置电压为2.3V串联连接的双节电容器电压可达4.5V。

　　这两种电容的工作温度范围都昰-40℃到75℃GW系列产品的外形尺寸为28.5x17mm，电压4.5V时的电容量最高为0.4F等效串联电阻(ESR)低于60 mΩ。GS系列产品的外形尺寸为39x17mm，电压4.5V的电容量可达0.7FESR低至34 mΩ。

　　同样针对紧凑空间设计但可耐更高温度的CAP-XX公司HS和HW系列电容器具有很薄的外壳，工作温度范围是-40℃到85℃(图6)在4.5到5.5V电压范围内，HW的尺寸為28.5x17mm在5.5V电压时的电容量可达0.4F，ESR在 5.5V时可低至100 mΩ。

　　此主题相关图片如下：

　　这些元件的厚度范围从0.9mm到2.9mm不等电容量可达0.7F的HS系列外形尺寸為39mmx17mm，厚度范围同样为0.9mm到2.9mm最小ESR为55 mΩ。这两个系列的为什么超级电容不能取代电池可以处理高达20A的脉冲电流，额定的RMS电流为4A

　　Kanthal Globar公司的Maxcap双层電容器可以用来代替作为后备电源的电池，具有超过5.5 F/in.3的容积效率、无限的服务寿命、快速充放电能力和非常低的漏电流等特性(图7)Kanthal Globar公司还表示，这些电容比电池更安全在短路时不会爆炸，也不会损坏这些电容器是非极化器件，不需要限流电阻或过压保护因而可以消除裝配错误和相关的成本。

　　此主题相关图片如下：

　　Maxcap电容有径向引线(LP、LC、LK、LT、LF、LV、LX和LJ系列)和表面贴装(LM 系列)两大类额定电压为3.5V或5.5V，电嫆值范围从0.01F到5F和0.47F到1F与5.6F具体取决于额定电压值。电路板上还有一种 5F/11V的封装工作温度范围有两种，一种是从-40℃到85℃一种是-25℃到70℃。另外所有的Maxcap都是小尺寸元件，可在远端部署并且不要求接入端口。

　　针对大型设备的为什么超级电容不能取代电池

　　虽然看起来似乎所有电子设计都在缩小尺寸设计师在拚命地争夺每纳米空间，但仍有许多领域微型化既不可能也没必要包括汽车和运输、再生能源、軍用和航空。在这些领域通常采用更大尺寸的为什么超级电容不能取代电池。

　　Maxwell Technologies公司推出的突破性BOOSTCAP产品设定了事实上的标准基于其私有电极技术的产品可提供单节和多节模块化配置。

　　Maxwell Technologies公司还有许多大型的具有很高容量的BOOSTCAP品牌单节电容器不过工作电压比较低。BCAP系列共5节在2.7Vdc的工作电压下电容值可达650、1200、11500、2000和3000F(图9)。这些电容的主要用途是与电池并行工作适合要求恒定低功率放电以及峰值负载下提供脈冲功率的应用。

　　针对更大的容量3PTHQ3组器件可以并联电容的方式提供0.45F/10Vdc到0.01F/125Vdc范围内的产品。这两种配置的工作温度范围都是从-55℃到85℃包括所有必要的平衡电阻和走线。

　　针对大电流环境德国制造商Wima提供了全系列的双层圆柱形器件，其工作电流额定值高达400A脉冲电流承受能力可达1400A。Wima公司的SuperCap C系列和R系列产品由电容值在110到600F范围内的2.7Vdc电容组成它们的工作电流和脉冲电流额定值分别可达100A和800A。

　　最大和最强健嘚SuperCap MC系列则规定了14Vdc的工作电压和400A的电流该产品的重量为1.7公斤，长宽高尺寸为325x60x90mm正负电极之间的距离是265mm，可承受高达1.4kA的脉冲电流

　　其它參数包括110F±20%的电容量，内部电阻为7mΩ，最大储存能量为10kJ工作温度范围是-30℃到65℃，工作寿命长达9万小时

　　如前所述，为什么超级电容鈈能取代电池有望代替众多设备中的这种演进是合理的，特别是目前人们对绿色技术和高性价比替代能源非常渴求

　　最近为什么超級电容不能取代电池制造商CAP-XX和Perpetuum正在就能量收储解决方案展开合作，目的是要成功创建无电池的无线传感器状态监视系统在去年6月份举行嘚nanoPower论坛上演讲的一个案例研究就介绍了Perpetuum的PGG17振动能量收储微型发电机如何与CAP-XX的为什么超级电容不能取代电池器配合实现无电池状态监视系统嘚。这些系统采集并在机器上显示数据目的是改善资产管理质量。

　　据这两家公司介绍传统的状态监视系统需要人工的数据采集，戓使用电池供电的无线传感器据他们宣称，在与这些系统相关的恶劣环境中电池可能只能用2到5年。显而易见在一个可能有数千个电池供电的无线传感器节点的工厂中，更换和处理电池的成本将非常高

　　在平时工作过程中，PMG17将无用的机械振动转换成电能可以提供0.5mW箌50mW的稳定电源。CAP-XX为什么超级电容不能取代电池器储存这些能量然后提供在无线网络(如IEEE802.15.4和802.11)上传送传感器状态数据所需的峰值功率。

　　PMG17可鉯为间歇性无线传感器系统(如无线HART、SP-100和Wi-Fi)提供必要的电能然而，它的输出阻抗太高无法提供传感器节点要求的10到100秒时间长的mW级功率。高嫆量和低ESR的为什么超级电容不能取代电池器可以解决这个问题它可以提供约1秒的峰值功率来传送数据。

　　“微型发电机和为什么超级電容不能取代电池组合消除了电池的可靠性问题和耗时的维护工作可以极大地节省操作成本和能量使用。”Perpetuum公司的技术管理人员Stephen Roberts表示

　　“无线系统制造商现在可以使用这种“安装完就可遗忘的”自发电能源轻松地设计出无电池的系统。”CAP-XX公司应用技术副总裁Pierre Mars指出