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这种设计扭曲可能重塑超级电容器的未来

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这种设计扭曲可能重塑超级电容器的未来

发布日期:2019-05-09 作者: 点击:

这种设计扭曲可能重塑超级电容器的未来

对于能够处理可再生能源和电动汽车等新应用的电容器,需求持续升级。密封技术的创新变革可能是满足这些可靠性需求的关键。

在研究能源和储能应用时,可以说电容器是该领域的“无名英雄”。作为无源器件,这些双端子电气元件在需要时存储能量和放电 - 通常作为极其重要的“备用”电源。

电容器比我们想象的更像是我们日常生活的一部分。例如,像闹钟一样简单的东西可以保持充电电容器,以防电源出现故障。如果电源熄灭,电容器放电,通过时钟电路发送电流,以确保它继续运行。

随着有效使用的平台不断发展和发展,新的电容器类型正在定期进入市场,超级电容器 - 也称为电双层电容器(EDLC)或超级电容器 - 现在可用于更大 - 规模使用。包括HEVE-Buses在内的电动车辆依赖于这些部件,因为它们具有比标准电容器更大的电荷存储区域。高功率应用和可再生能源应用也利用该技术。其他示例领域包括国防,能源和航空航天领域,以及各种工业应用。

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在美国及其他地区,对电容器和超级电容器的需求增加,在许多应用中都有许多驱动因素。诸如物联网(IoT)和智能设备的兴起等影响就是一个很好的例子。这些推动了对功能强大的轻型部件的需求,这些部件几乎不需要维护,能够在各种工作温度下的恶劣环境中运行,并具有高功率密度和高可靠性。

汽车行业是电容器和超级电容器的关键市场,因为大量功能可以充分利用其功能。启动/停止功能和动力转向使用电容器,而混合动力电动驱动器需要增加超级电容器的功率容量。随着电动汽车的不断发展和进入主流汽车市场,这些部件将得到更广泛的应用。未来的技术进步甚至可能导致超级电容器取代锂离子电池作为动力源,提供与汽油甚至柴油动力车辆相当的行驶范围。

铁路行业也开始意识到超级电容器技术的全部潜力。 Urbos 3 Tram由西班牙萨拉戈萨的铁路公司CAF制造(图1),使用位于车厢上部的一系列超级电容器,可以回收制动能量,节省35%的电力。超级电容器可以在电车站充电而无需架空电缆,并且可以在某些停靠点之间运行而无需连接到电缆。

1.西班牙的Urbos 3电车利用超级电容器。

在可再生能源领域,超级电容器已经在风力涡轮机和其他应用中占据突出地位。必须定期调整涡轮叶片,以确保涡轮机在风力条件下运行在最佳水平,并避免机械应力。为实现此目的,使用桨距控制系统在需要时进行这些调整。如果电源发生故障,超级电容器能够接合并提供足够的功率以将叶片间距返回到安全位置以关闭涡轮机,这对于电池电源并不总是可行的。

超级电容器在光伏(太阳能)和波浪式应用中的能量存储的未来也可以发挥关键作用。光伏和波技术都在输出功率方面经历波动。超级电容器可以减轻这种影响:它们通过称为平滑的过程帮助提供更恒定的功率。

太阳能和波浪发电应用都会产生交流电(ac)电压,必须通过桥式整流器将其转换为直流电(dc)。但是,如果在不使用电容器的情况下施加这种功率,则当电压在0V和最大电压之间振荡时,电源中将保留纹波。例如,如果应用于灯泡,则灯泡会闪烁。电容器通过在输出电压增加时不断存储能量并在能量减少时释放能量来确保电源不会中断。该过程的执行支持这些应用中专用的,昂贵的组件的更长寿命,最终使它们作为清洁能源资源更加可行。

铝电解电容器面临的挑战

铝电解电容器和超级电容器有一个缺点:在使用寿命期间,它们容易因电解液干涸而经常由于不完美的端子密封而经历。少量水分可以穿透不完美的密封,随着时间的推移会导致气体在电容器内积聚。

电解质干涸导致性能水平持续恶化,并且经常通过过大或使用两个电容器来抵消,其中在没有这种长期问题的情况下可能足够。电解质的缓慢和连续蒸发可导致容量损失高达20%,这在效率方面是显着的。

通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,并且可能因破坏水分侵入和通过蒸发损失电解质而出现故障。与所有有机材料一样,聚合物易于老化并且随着时间的推移变脆,随后失去气密性。由于湿气侵入通过密封不良发生,水分可以穿透弱化的密封,而电解质能够蒸发,最终导致容量和寿命的显着损失。

密封,气密密封

电解液泄漏的补救措施在于电容器盖。通过用特殊的玻璃密封替换由有机化合物(如聚合物)制成的密封件,可以将电容器端子密封在铝盖中。这可以通过引脚密封保护电容器免受湿气侵入,并消除电解液干涸的问题。由于玻璃是无机材料,玻璃密封件保持永久密封性,因为它们不会老化或长时间磨损。

玻璃密封盖可以定制,适用于小型和大型罐头的广泛应用,包括径向型,轴向型,卡入式,超级电容器和电动双层电容器。玻璃 - 铝密封(GTAS®)是肖特专门为高能量密度的电容器和电池开发的新技术(图2)。该方法基于公司在特种玻璃和玻璃 - 金属密封方面的专业知识,可追溯到1939年。

2.肖特的电容器GTAS技术采用密封玻璃密封,同时防止水分侵入和电解液泄漏,减少封装体积,延长电容使用寿命。

采用玻璃 - 铝密封(GTAS)具有广泛的外围优势。根据设计,目前市场上的GTAS可提供-40+ 150°C的耐高温性能,为各种应用打开了大门。密封件的密封性也意味着可以设计具有更高电容的类似或更小尺寸的单元。非老化玻璃密封的可靠密封性不仅可以延长产品的保质期,还可以延长产品的使用寿命 - 即使在恶劣的环境条件下也是如此。

GTAS可靠性和使用寿命

铝电解电容器的新设计,包括尖端的超级电容器,目前正在开发用于现代和新兴应用。可能性包括电动汽车,大功率应用,重工业和可再生能源等。这些应用对电容器提出了新的技术要求,要求持久的高性能。这些要求是GTAS提供改进机会的地方:防漏电容器盖可以支持小型和大型电容器设计以满足这些要求。

GTAS电容器盖可以使电容器封装体积减少20%,电容损耗减少60%,内部电阻提高50%。与有机密封对应产品相比,这种产品在各种极端温度范围内的运行能力,相当于产品寿命从10年到15年不等。

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