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電路醫(yī)生 | 容量大竟成超級(jí)電容致命問(wèn)題,預(yù)防失效有絕招

2017/02/02
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最近,在給一位客戶單位的產(chǎn)品做設(shè)計(jì)審核中,遇到了一個(gè)超級(jí)電容的問(wèn)題,作為戶外機(jī)殼內(nèi)裝配的超級(jí)電容,惡劣的環(huán)境、長(zhǎng)期的使用,無(wú)人值守的工作狀態(tài),其失效總要做些預(yù)防的,但是,它的失效機(jī)理到底是什么?失效故障到底有多嚴(yán)重?對(duì)什么應(yīng)力敏感?


帶著這些問(wèn)題,我查閱了中國(guó)知網(wǎng),發(fā)現(xiàn)通篇的全是夸贊超級(jí)電容如何好的文章,簡(jiǎn)直趕上那個(gè) 60 年代末的年代了,大有一副“超級(jí)電容就是好、就是好、就是好”的架勢(shì)。但按照辯證唯物主義的思想,任何事物都有兩面性,我還就不信了,難道超級(jí)電容的唯一缺點(diǎn)就是沒(méi)有缺點(diǎn)嗎?


于是,我查閱超級(jí)電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料,從基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)、成分、工作原理出發(fā),來(lái)分析其可能的失效機(jī)理。但限于該類器件還處于八九點(diǎn)鐘的太陽(yáng)階段,人生觀價(jià)值觀還未形成,到底是會(huì)禍害人還是會(huì)造福人類成為領(lǐng)袖,都還不太看得出來(lái),所以,以下分析僅為分析預(yù)測(cè),有待各路諸侯高工提供案例以佐證。


超級(jí)電容采用多孔碳材料做電極,同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液,當(dāng)在兩端施加電壓時(shí),相對(duì)的 2 個(gè)多孔電極上分別聚集正負(fù)電子,而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將在電場(chǎng)作用下分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上,從而形成兩個(gè)集電層,相當(dāng)于 2 個(gè)電容器串聯(lián)。


活性碳材料具有超高比表面積,而且電解液與多孔電極間的界面距離不到 1 nm,即介質(zhì)厚度很小,從中學(xué)講過(guò)的電容計(jì)算公式里,可以推理出,電容的大小與極片之間的面積成正比,與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比,與極板之間的距離成反比。就是這個(gè)原因,這種結(jié)構(gòu)的電容值才可以做的很大很大。


因此,也就是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)和材質(zhì),大膽推理預(yù)測(cè),超級(jí)電容可能會(huì)有如下類似潛在隱患,信不信由你,說(shuō)不說(shuō)由我,請(qǐng)辯證吸收,對(duì)錯(cuò)作者均不擔(dān)責(zé)。對(duì)了請(qǐng)感謝您自己,您的英明聽勸使您成功的避免了風(fēng)險(xiǎn);錯(cuò)了也別怪我,明明我錯(cuò)了,您還聽還照做,是不是傻?是不是傻?


因?yàn)殡娙堇镉须娊赓|(zhì)溶液,所以會(huì)有液體的密封性問(wèn)題,內(nèi)外壓差大容易導(dǎo)致泄露,因此高海拔地區(qū)使用,電容內(nèi)外壓強(qiáng)差較大會(huì)有潛在漏液風(fēng)險(xiǎn);超級(jí)電容安裝如果采用的是焊點(diǎn)固定方式,焊接時(shí)的非自然狀態(tài)固定產(chǎn)生焊接管腳的機(jī)械應(yīng)力、橫向剪切方向的沖擊對(duì)管腳的沖擊會(huì)有類似隱患;

只要是液體,就會(huì)有高溫的沸騰、膨脹、汽化特性,因此其高溫特性會(huì)有隱患,不過(guò)很多資料上都在宣稱超級(jí)電容的高低溫特性都很好,也許可能,汽車防凍液里的乙二醇,就具有沸點(diǎn)高,冰點(diǎn)低的特點(diǎn),不知道超級(jí)電容里是不是也有類似特性的化學(xué)玩意兒。但只要是液體,熱膨脹特性很難避免,因此,就算不沸騰,膨脹也是個(gè)麻煩,跟上一條正好對(duì)應(yīng);而且液體化學(xué)材料,很難沒(méi)有腐蝕作用,外漏焊接極片怎么著也得是金屬的吧,不知道會(huì)不會(huì)有內(nèi)外夾擊的腐蝕性問(wèn)題。


網(wǎng)上的不少資料里都說(shuō)超級(jí)電容的低溫特性很好,估計(jì)其中的電解液的冰點(diǎn)應(yīng)該很低了,也算是個(gè)好消息。高溫特性又好,低溫特性也好,還得不腐蝕,還得不容易膨脹導(dǎo)致泄露,這電解液到底何方神圣?挺棒的,有機(jī)會(huì)爭(zhēng)取認(rèn)識(shí)一下。


超級(jí)電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)上,正負(fù)極之間的間距很小,不然也很難達(dá)到這么大容值,但是間距小了就帶來(lái)一個(gè)麻煩,E=U/d,間距 d 很小的時(shí)候,不大的電壓,就會(huì)在兩極之間產(chǎn)生很大的場(chǎng)強(qiáng),場(chǎng)強(qiáng)如果超出了介質(zhì)可耐受程度,就會(huì)擊穿,因此,超級(jí)電容的耐過(guò)壓能力可能會(huì)較差。


超級(jí)電容的充電過(guò)程是電荷擇善而棲的過(guò)程,因此需要實(shí)實(shí)在在的電荷流動(dòng),流動(dòng)的過(guò)程就不可能沒(méi)電阻,普通電解電容是化學(xué)過(guò)程,有電壓激勵(lì)了,化學(xué)反應(yīng)就會(huì)發(fā)生,阻抗特性表現(xiàn)較小,因此內(nèi)阻大,導(dǎo)致充放電的內(nèi)阻損耗和分壓可能也是個(gè)問(wèn)題。


內(nèi)阻一大,順勢(shì)推理下去,高頻快充快放,內(nèi)阻上的熱消耗估計(jì)不會(huì)小,相當(dāng)于普通電容的 ESR 發(fā)熱,熱熱熱熱…


既然有電解液,自然也就有了極性問(wèn)題,不知道接反了的后果是什么?沒(méi)敢試過(guò)。有誰(shuí)膽大點(diǎn),試了之后分享下切身感受,最好有圖有真相。


焊接中要是烙鐵接觸的時(shí)間久了,通過(guò)電極的熱傳導(dǎo)進(jìn)去,效果會(huì)怎樣?畫面有點(diǎn)美,不敢想。


既然是電子器件,就會(huì)有參數(shù)誤差,而且上面提到對(duì)電壓敏感,所以串聯(lián)使用,因?yàn)閰?shù)差異導(dǎo)致的電壓分壓不均衡,會(huì)不會(huì)產(chǎn)生超出預(yù)期的承受電壓?


容量很大是優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也是缺點(diǎn)。放電、充電電流大的高性能,對(duì)整個(gè)電通路的設(shè)計(jì)要求是防范過(guò)流,這個(gè)電流的限流控制也是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。貌似現(xiàn)在的純電力機(jī)車上禁用超級(jí)電容就是這個(gè)考慮。

以上問(wèn)題,純粹是從其內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)幾方面推理得出的,希望未被言中,但這張烏鴉嘴經(jīng)常干出“但愿不如所料,以為未必竟如所料,卻每每恰如所料的發(fā)生了起來(lái)”的事,諸位朋友,小心謹(jǐn)慎,但求多福吧。如何防范這些隱患,打點(diǎn)賞唄先…

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