电容器的X-men锂离子电容器(上)

来源 :电子与电脑 | 被引量 : 0次 | 上传用户:truebyb
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  被动组件电容器短短数十年之间,需求量激增了至少500倍以上,而电气二重层电容改良后的锂离子电容器能量密度特高,安全性特优,小而美,咸认为是最棒的下一世代蓄电组件,搭配风力、太阳能发电等大自然电力再生,有机会成为地球既平又热又挤下绿色电子的救世主呢?
  
  锂离子电容器的应用
  


  
  话说搞电子的工程技术人员一生在电子线路领域里中打滚,从L/R/C等基本被动组件玩到晶体、集成电路,经历了当下之SiP与SoC,还有始终数不清楚封装方式的集成电路。但最令人感到惊奇与兴奋的被动组件,可能要首推“电容器”(Capacitor)了。日本惯用“Condenser”来称呼。
  况且,功率半导体业界,SiC(碳化硅)新材料当前正夯呢!毕竟,所有的电源模块,一定都需要用到电容器。尤其是蓄电用途的电容器,更是需要超高的电气性能。
  注:SiC(碳化硅)材料,觉醒了Converter、Inverter的功率半导体产业,应用从汽车到太阳能发电领域,取代硅材料,是明日之星。
  Xbox经历了一场电源线大回收的教训,在次世代Xbox 360设计的组件选择上格外用心,特别是电容器,几乎全是用知名大厂的零件。
  


  喜欢把玩音响扩大机、喇叭DIY的游戏者,还是图谋个人计算机的音质提升,改机升级往往就是先从“电容器”的替换来下手。而且,各种价格不斐的电容器,琳琅满目。知名的德国WIMA电容、瑞典的RIFA电容、日本的黑爵(Black gate)电容(Rubycon最高等级制品)等,都是常听见看得到的好样组件。
  而最近有一种称之为锂离子电容器LIC(Li-ion Capacitor)像潜水艇般逐渐浮出水面上,有人认为这是结合锂离子电池以及一种称为电气二重层电容器,两者优生学混合之下的新组件,这个说法是有道理。一般,还是将它归属于超电容器(Ultra Capacitor)的领域。有一家专业于先端技术的信息研究与分析公司HIEDGE,依据其预测,2009年是锂离子电容器的量产准备期,市场可望在2011年开始慢慢向上昂飞。
  注:锂离子电容是一种正极与负极充放电原理不同的非对称电容。采用锂离子电池的负极材料与电气二重层电容的正极材料之组合构造。
  先来举一个绝佳的案例,可以用来阐明为何主张未来的电子争霸,该是回归物理基础科学的观点。尤其是材料科学。2008年底,东京大学研究团队透国结晶构造的详细解明清楚,发现Li2FeSiO4(Li-Fe-硅-氧)若是取代当前手机、笔电锂离子电池所使用的正极材料LiCoO2(因为钴Co是稀有金属);那么,锂离子电池低价制造之道就不远了。以后,诸如数字相机正厂所卖的电池,若是依然那么昂贵,也就太贪心了。
  而此处所欲提及的“锂离子电容器(Li-ion Capacitor)”也是另一个鲜明的案例,来解释材料科学的重要性与创新威力。信息业就如拳击赛,上了舞台,不是输就是赢。创新就是最佳的攻击力。
  节能减碳(整个世界二氧化碳CO2的排出量,发电就占了35%的最高比例)是物价高涨飞腾后的最夯民生话题,地球暖化、温室效应的气体排出量削减,是全球关注的课题。除了火红的太阳能之外,风力发电的设施建设风潮,在欧洲、美国、中国正积极展开导入。风力发电公认最具有潜力并且减少温室效应的自然能源。而“锂离子电容器”则被视为家用、企业屋顶、公园路灯等小型发电最佳的蓄电组件,最佳拍文件组合。
  锂离子电容器于风力发电的开端,是日本福岛县冲的海洋天然瓦斯挖掘设备导入21台的小型风力发电装置以及使用锂离子电容器的电容器模块的设置。为了确保电力的维持,采用以小型风力知名Zephyr的Airdolphin风力发电装置,电容器模块采用了JM Energy的片状锂离子电容器单元(宣称是世界最高峰的大容量电容器)。在风车与Inverter之间,安置了电容器模块,可以吸收风力变动的发电量。也扮演着缓冲的脚色。通常,Inverter在损失以下的微风时,微小的发电量也难以蓄电,有了电容器就可以蓄电。反之,发生超过Inverter定格容量(1kW)的强风时,电容器的蓄电也不会浪费掉。
  


  经过一年的试验运转之后,于2008年6年正式启用。并且,尔后还可进行将二氧化碳CO2贮留在海中的试验。
  而日本宫崎县也开始导入组合LED照明与太阳能面板使用锂离子电容器的试验。目前的试作品使用两个1W的LED,平均驱动约0.6W的程度。于周围没有任何照明的场所,若是充满电,可以应付一整晚。此试验的原本考虑是检讨镍氢电池的采用性,认为对应发电量变动的对应控制模块过于复杂,遂选用容易因应发电变动,能量密度又高的锂离子电容器。选用的组件是ACT(Advanced Capacitor Technology)所开发的“Premlis”单元,静电容量为5000F。
  注:ACT所开发的“Premlis”锂离子电容器,正极采用独自开发的奈米闸碳(Nano-gate Carbon)、负极采用黑铅(石墨)系碳;目前专利申请中。
  
  锂离子电容器源起暨基础原理
  
  于兹,就是要来探讨锂离子电容器的实力,挖掘为何会受到厂商的垂爱。因为,锂离子电容器系由电气二重层电容衍生而来;值是之故,当然必须先从电气二重层电容先来说起,并且说明为何原因锂离子电容的体积能量密度会是电气二重层电容的3~5倍之多。
  “电气二重层(Electric Double Layer Capacitor)”的电容器,先受到了最高度瞩目的起因也许可以追溯到两件关键要事。其一,日本电子所开发的“奈米闸(Nano-Gate)电容器”,其质量密度是传统技术的10倍之多。因此,获得了2004年“日经BP技术大奖”的光荣美誉。这类的电容器通常使用于环境奈米应用、混合式汽车(Hybrid vehicle),高负载级应用(Load leveling)等。
  另外,富士旭化成电子与FDK开发使用Li塩在电解液的电容器,可是一直没有正式量产化。而突破性的契机在于2005年8月,富士重工业采用了多并苯(Polyacene)系负极材料,使得Li离子大量粘稠于负极;正极依然采用活性碳。这种特征就高输出、长寿命维持的秘方,是启动厂商们开始采用的手段。
  


  以2008年底的时间点来观看,旭化成电子、ACT、NEC/Tokin、FDK、JM Energy、太阳诱电(昭荣电子)、日立Advanced Interconnecting Components/日立化成等公司,皆有在开发锂离子电容器。
  注:电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor),简称为EDLC。
  电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)的对外称呼可真多元,经常可以见到的有“超电容器(Super Capacitor) ”、“终极电容器(Ultra Capacitor)”、“电气化学电容器(Electrochemical capacitors)”等恭维式的称呼,没有很明确的定义。
  为了慎重起见,就完全遵循“ECaSS(Energy Capacity System)组织论坛”的用语,以“电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)”的名称来贯穿本文。
  注:ECaSS是Power System公司董事会长,冈村廸夫于1992年发明的革新蓄电系统。
  电气二重层电容器,可以说拥有不少的特长:
  ● 可以急速大电流充放电。
  ● 充放电效率高。
  ● 反复充放电寿命长。
  ● 容易计测组件中的残量。
  ● 不含有害的重金属,是绿色组件。
  ● 没有爆炸、起火的危险性,安全性高。
  ● 使用温度范围广。温度特性优。
  


  注:Ragone Chart,系一种用泡泡图来展现各种能量储存(蓄积)的性能比较图。首先是应用于电池上的比较。观念上,纵轴的能量密度是指有多少能量可供应用;横轴的功率密度,意思是说能量的传递有多快。
  注:能量密度(Energy density),能量密度乃是每单位体积介质或是单位质量所包含之能量。常见的单位有Wh/Kg,Wh/L。
  那就先来看看“电气二重层电容器”的来龙去脉与基本原理究竟是怎样一回事。
其他文献
从3月中下旬起,NAND Flash(储存型闪存)16GB MLC现货市场价格持续走扬,研究机构集邦科技(DRAMeXchange)表示,由于大厂逐渐淘汰产能、第二季高容量颗粒供货提升,供货商希望未来合约价能调涨美金3.5元以上。  集邦科技表示,由于今年供货商的目标是改善获利,因此在3月的季底调降库存效应过后,供货商们仍希望以节制产出的方式,使价格上涨到晶粒的成本以上。  由于上半年16Gb M
期刊
根据DisplaySearch 对于最新关于全球Notebook PC市场调查指出,尽管大家对于今年PC市场都抱持悲观看法,然而对于Mini-Note(迷你笔电)的表现却仍是相当期待。据DisplaySearch统计指出,预计2009年Mini-Note出货量将比去年大幅增长65%,反观一般型笔记本电脑,预计今年仅将微幅上升3%。  随着大众对于经济危机的恐惧,消费者正逐渐改变他们的消费模式,在选
期刊
无线技术的发展极大地方便了人们的生活,不知不觉中,需要有线连接的设备越来越少了。无绳电话、手机的出现使人们摆脱了电话线的束缚。电脑的普及曾一度使家中的插线板、各种线缆多了起来,但是现在,键盘、鼠标、网络的无线接入早已成熟,蓝牙技术的出现,使得音响设备也可以轻松实现无线连接,人们惊奇的发现,除了电源线之外,其他设备的数据通信都可以无线化了,只剩下显示设备需要接信号线了。    不断演进的数字家庭概念
期刊
根据DisplaySearchy最新关于全球TFT LCD出货调查指出,2月份大尺寸面板出货量为2950万片,较上月大幅增长23%,营收直逼29.5亿美元,较上月增长14%,这是自2008年九月份以来首次见到增长的月份。2月份的良好表现主要来自于急单效应与客户持续补充库存,也是TFT LCD产业即将触底反弹的信号。  就大尺寸面板营收方面,以三星表现最好,市占率高达30.2%;其次则为LGD,占2
期刊
摘要:本文详细介绍了基于FPGA的数字秒表的设计过程,并使用Quartusll6.0进行了仿真,最后通过下载程序到Altera DE2目标板上验证。  关键词:FPGA 数字秒表 电子设计自动化    注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
期刊
有一天,我坐着看着我的40英寸HDTV,然后我开始想着为何在电视上浏览网络会这么糟糕,即使是用1080i这样的高画素,情况还是一样。相信我,除了看YouTube的影片外,我还试了PS3,感觉很差。  但是当我坐在我的 懒骨头躺椅上(或是用沙发这个字眼),和电视保持着正常的距离,我伸长手臂用双手框出画面的大小,然后往下移至大约我的膝盖的位置,有个想法就在这一瞬间出现了。此画面的大小没比掌上型游乐器的
期刊
专访思源科技思源科技产品营销总监李新基    2008年5月,思源科技收购美国NOVAS等5家公司,成为亚洲最大EDA公司。虽然2009年整个电子产业持续笼罩在谷底的低迷气氛中,但思源科技不但没有裁员,最近还购并一家法国公司,并扩编组织,持续招募研发人员。  思源强调,复杂的IC设计,让验证工作变得艰难,一不小心就打坏产品质量,并伤及公司信誉。协助IC设计验证工作的强化,成为思源2009年最受业界
期刊
尽管全球经济面临不景气的局面,但在刚结束的 2008 财年,Intersil取得了 7.7 亿美元营业额,同比增长2%。但Intersil集团市场总监Adam Latham却表示:“对Intersil公司来说,营收增长超过竞争已不稀奇,比营业额的增长更重要的,应该是我们在过去的一年采取了大胆的行动,先后收购了D2Audio、Kenet 和 Zilker Labs 3家公司。这为我们在关键战略市场保
期刊
对于需要零故障和误差的自动充填和包装生产线而言,先进的图像处理系统正成为越来越不可或缺的部分。系统中使用的嵌入式计算机技术需要在恶劣环境中提供最佳的价格、高可靠性的实时性能。为满足这些需求,领先全球的自动化充填生产线和控制系统设计者与供货商Kontron(控创科技)已经开发出一款具有高度灵活性图像处理系统的可客制化3U CompactPCI(紧凑型PCI,也称cPCI)中央处理器板卡。    总部
期刊
早在70年代PLD(可编程逻辑组件)的诞生,为纯硬件的数字电路带来以可由软件完成的弹性设计空间,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷, 80年代中期,业界推出了复杂可编程逻辑组件-CPLD。由于CPLD以适用中低密度应用为目标,市场规模与发展空间相对比以高密度应用的FPGA来得小(参见图1),因此在近20年间,PLD(包含CPLD和FPGA)产业
期刊