背景技術傳統的雙電層電容器（EDLC）是一種公認的能量解決方案，在自放電特性，能量密度，可靠性，壽命和熱設計方面存在許多明顯的缺點。 Taiyo Yuden鋰離子電容器克服了這些問題，是EDLC的有效替代品。鋰離子電容器是混合電容器，具有EDLC和鋰離子二次電池（LIB）的最佳特性。

EDLC最初是在20世紀70年代在日本創建的，并在20世紀90年代開始出現在各種家用電器中。自2000年代以來，它們已被用于移動電話和數碼相機。 EDLC通常用于防止突然瞬間掉落或中斷電源。它們可以瞬間輸出大量電力，而電池則不能。它們經常被用作集成電路，處理器，存儲器等服務器和存儲設備中的備用電源。雖然EDLC旨在作為備用電源，但傳統的EDLC遭受稱為自放電的現象，其中隨著時間的推移，電容會逐漸失去電荷。在高溫環境下，自放電可以更快地發生。

即使在高溫環境下，鋰離子電容器的自放電極低也能確保持久的充電。

此外，鋰離子電池電容器沒有熱失控的風險。使用鋰離子電容器進行設計時，無需額外的熱設計考慮，空間或元件。

鋰離子電容器的使用正在穩步增長。它們越來越多地依賴于制造和醫療設備中的輔助電源，即使瞬間電壓下降也是至關重要的。它們用于補償太陽能電池板的不均勻電壓水平，甚至可用作小型設備的主要電源。最重要的是，鋰離子電容器正成為服務器和其他設備斷電的首選備用解決方案。

與EDLC相比，鋰離子電容器的原理和特性

鋰離子電容器是使用碳基的混合電容器材料作為可摻雜鋰的負極。正如在傳統的EDLC中一樣，它們使用活性炭作為正極。

圖1：鋰離子電容器結構。

與負極電連接的金屬鋰在浸入電解質溶液的同時形成本地電池。然后，鋰離子的摻雜開始于負極上的碳基材料。一旦摻雜完成，鋰離子電容器的初始電壓降至3V或更低，因為負電極的電位幾乎與鋰的電位相匹配。因此，與傳統EDLC的充電/放電電位相比，通過使用正極上沒有高電位的鋰離子電容器可以獲得更高的電壓，從而提高鋰離子電容器的可靠性。

圖2：EDLC與鋰離子自放電特性。

自放電特性

鋰離子電容器的一個主要特點是其出色的“自放電特性”，將鋰摻雜到負極中以穩定負極的電位。圖3顯示了圓柱型40法拉鋰離子電容器的自放電特性，該電容器在溫度為25℃時在3.8V下充電24小時，而電容類似于鋰離子電容器的對稱型EDLC則具有自放電特性。如圖2所示，對稱型EDLC具有大的自放電。在25oC下一個月后，其電壓降至初始電壓的80％。相比之下，鋰離子電容器顯示出更好的自放電性能。即使100天后溫度為25oC，它仍可保持3.7 V以上的電壓。

圖3：類似40法拉鋰離子和EDLC器件的自放電。

浮充電特性

圖4顯示了圓柱型鋰離子電容器和對稱EDLC的浮充電特性（連續充電），其電容與70oC溫度下的鋰離子電容幾乎相似。鋰離子電容器的特點是即使具有3.8 V的高電壓電荷，電容器也可以將它們在正電極處的電位降低到低于傳統對稱EDLC的電位，這可以防止它們的浮充電壓惡化并使它們高度可靠。 br》

圖4：70°C時類似鋰離子和EDLC器件的浮充電特性。

此外，在3.5 V的電壓下，圓柱型鋰離子電容器在85oC的高溫下的浮充電特性（連續充電）顯示出良好的效果，即使在5，000小時后仍保持約80％的初始電壓。

圖5：85°C時鋰離子電容器的浮充電特性。

充電/放電循環特性

與鋰離子二次電池不同，鋰離子電容器是采用吸附的化學穩定產品 - 離子的吸附反應使得它們在充電 - 放電循環期間不會在正電極處引起結晶變化。另外，預先將鋰摻雜到負極的碳基材料中，并且可以設計鋰離子電容器以降低負極中的鋰離子可用性。這使鋰離子電容器具有超過100，000次的優異充電/放電循環特性，相當于傳統的對稱型EDLC。其中一些應用已經在實際應用中。

溫度特性

即使在高溫下也能獲得穩定的放電，即使在-20oC的低溫下也能達到60％以上的體積維持率。此外，即使受到電解液中離子遷移率較小引起的電壓降的影響，在極低溫度下也能實現約50％的強體積維持率。因此，很明顯鋰離子電容器具有良好的溫度特性。

高能量密度

鋰離子電容器的最大電壓3.8 V，高于對稱型EDLC的電容和電容是EDLC的兩倍。因此，鋰離子電容器的能量密度是EDLC的四倍。

由于鋰離子電容器的電容在3.8 V至2.2 V范圍內約為88 mAh，因此鋰離子電容器具有強大的放電速率特性1庫侖到100庫侖。由于它可以以100庫侖的放電速率獲得約60％的放電容量，因此鋰離子電容器可以說是在高輸出應用中具有優異放電特性的電容器。在200法拉的圓柱型鋰離子電容器和尺寸類似于鋰離子電容器的傳統對稱EDLC的Ragone圖比較中，鋰離子電容器的能量密度為8.6 WH/kg，遠大于約6.5比傳統EDLC的1.5 Wh/kg更大。

圖6：比ELDC更高的鋰離子電容器能量密度可節省空間。

節省空間

由于其高能量密度，可以用一個鋰離子電容器替換多個EDLC。在使用數十個EDLC的服務器和集成電路等應用中，這可以節省大量空間，從而可以在每個組件之間實現整體空間縮小或更大空間。利用更少的電容器還可以通過減少發熱元件的數量來改善熱設計。

鋰離子電容器的安全性

在負極上使用鋰離子摻雜的碳基材料可能會引起安全問題，類似于鋰離子電池（LIB）。然而，它們的正極的材料成分非常不同：LIB使用金屬氧化物，而鋰離子電容器使用碳基材料，例如不含氧的活性炭。當發生內部短路時，這可以區分它們的反應。在LIB中，當發生內部短路時，內部電池的溫度會因短路電流而升高。負電極和電解質溶液之間的以下反應導致內部電池的壓力增加，隨后正電極處的晶體塌陷和正電極的氧化產物中的氧氣釋放。這會導致另一次熱失控，并且在某些情況下，由于內部電池的壓力進一步升高和電解液的蒸發，可能會發生點火或爆炸。相反，電池的內部壓力也會鋰離子電容器上升，但在此之后，由于正極材料的不同，熱失控現象不會發生，反應會隨著安全閥的打開而安靜地完成。

因此，鋰離子電容器由于與LIB相比，正極材料的不同，即使發生內部短路或其他事故，也不會導致任何嚴重的事故，如熱失控引起的火災或爆炸。鋰離子電容器可以說是傳統的非水溶劑型EDLC的能量裝置的邏輯安全。下面是200法拉圓柱型鋰離子電容器的釘刺試驗結果，假設實際內部短路。圖7：釘子刺入200圓柱法拉桿的結果鋰離子電容器。

這些結果表明鋰離子電容器是一種安全的設備。即使在短路后電池外壁的溫度升高到100℃，溫度也會逐漸降低，并且電池不會引起嚴重的問題，例如嚴重的變形或爆炸。根據這些結果，鋰離子電容器相當于對稱型EDLC的安全性。此外，它具有許多特征，例如，與LIB不同，即使內部電池溫度升高也不會導致熱失控，并且它不包含任何金屬氧化物作為正電極的材料。此外，如果發生內部短路，則負極基材中的洗脫內部短路不太可能，因為負極的電位不會超過Cu的洗脫電位。

鋰離子電容器應用程序

用于集成電路，處理器，內存等的服務器和存儲設備中的備用電源。鋰離子電容器是緊湊，高溫空間的理想選擇，因為它的能量密度是EDLC的四倍，具有出色的熱性能特性，電壓維持能力以及浮充電的低劣化。

電源

能源設備與光伏電池或風力發電機相結合（如凸起的標記，發光負載標志，路燈）

用于節能設備的輔助電源設備（如復印機中的快速鼓加熱和投影儀啟動時）。

汽車電腦設備，例如怠速停止裝置，行車記錄儀和電線制動器。