Ионистор срок службы. Срок службы и деградация суперконденсаторов: анализ механизмов старения и факторов, влияющих на долговечность

Как влияют циклирование, температура и напряжение на срок службы суперконденсаторов. Какие основные механизмы вызывают деградацию характеристик суперконденсаторов со временем. Какие факторы необходимо учитывать при оценке долговечности суперконденсаторов в различных применениях.

Ключевые факторы, влияющие на срок службы суперконденсаторов

Исследования показывают, что на долговечность и деградацию характеристик суперконденсаторов влияют следующие основные факторы:

• Рабочая температура
• Приложенное напряжение
• Количество и глубина циклов заряда-разряда
• Время нахождения под напряжением (календарный срок службы)
• Тип используемого электролита
• Материал и структура электродов

Повышение температуры и напряжения ускоряет процессы старения. Частое глубокое циклирование также негативно сказывается на сроке службы. При этом разные типы суперконденсаторов демонстрируют различную чувствительность к указанным факторам.

Основные механизмы деградации суперконденсаторов

В ходе исследований были выявлены два основных механизма старения суперконденсаторов:

1. Постепенное ухудшение параметров электролита. Этот процесс наблюдается для всех образцов и может быть описан экспоненциальной функцией квадратного корня от времени старения.
2. Деградация активной области электродов. Проявляется при тяжелых условиях эксплуатации (повышенные температура и напряжение) и описывается функцией Гаусса. Предположительно связан со снижением потенциального барьера на границе электрод/электролит.

Первый механизм приводит к плавному снижению емкости, в то время как второй может вызывать более резкое падение характеристик при достижении определенного порога.

Влияние режимов циклирования на срок службы

Эксперименты с различными режимами циклирования суперконденсаторов показали:

• Непрерывное циклирование с использованием 100% энергии приводит к более быстрой деградации по сравнению с циклированием на 75% энергии.
• При одинаковом циклическом токе более длительное время заряда/разряда ускоряет деградацию характеристик.
• Прерывистое циклирование (с паузами между циклами) оказывает менее негативное влияние на срок службы по сравнению с непрерывным циклированием.

Это говорит о том, что для продления срока службы желательно избегать глубоких циклов разряда и обеспечивать периоды отдыха между циклами работы суперконденсатора.

Календарный срок службы суперконденсаторов

Помимо циклического старения, важным фактором является календарная деградация характеристик суперконденсаторов со временем. Исследования показали:

• Скорость календарного старения сильно зависит от температуры хранения/эксплуатации и приложенного напряжения.
• При повышении температуры на каждые 10°C скорость деградации примерно удваивается.
• Повышение напряжения также ускоряет процессы старения, особенно при приближении к максимальному рабочему напряжению.
• Разные технологии производства суперконденсаторов демонстрируют различную чувствительность к температуре и напряжению при календарном старении.

Это необходимо учитывать при выборе суперконденсаторов для конкретных применений с определенными условиями эксплуатации.

Методы оценки срока службы суперконденсаторов

Для прогнозирования долговечности суперконденсаторов используются следующие основные методы:

1. Ускоренные испытания при повышенных температурах и напряжениях с последующей экстраполяцией результатов на нормальные условия эксплуатации.
2. Длительные испытания в реальных или приближенных к реальным условиям работы.
3. Математическое моделирование процессов деградации на основе экспериментальных данных.
4. Анализ изменения внутреннего сопротивления и емкости в процессе эксплуатации.

Комплексное применение различных методов позволяет получить наиболее достоверные оценки ожидаемого срока службы суперконденсаторов в конкретных условиях применения.

Сравнение долговечности суперконденсаторов и аккумуляторных батарей

По сравнению с традиционными аккумуляторными батареями, суперконденсаторы обладают рядом преимуществ с точки зрения долговечности:

• Значительно большее количество циклов заряда-разряда (до миллиона и более)
• Меньшая деградация характеристик при глубоких циклах разряда
• Более широкий температурный диапазон эксплуатации
• Отсутствие необходимости в сложных системах контроля заряда

Однако суперконденсаторы более чувствительны к повышенному напряжению и имеют более высокий саморазряд. Поэтому для максимального продления срока службы требуется тщательный подбор режимов эксплуатации.

Рекомендации по увеличению срока службы суперконденсаторов

На основе проведенных исследований можно сформулировать следующие рекомендации для максимального продления срока службы суперконденсаторов:

1. Эксплуатация при умеренных температурах, желательно не выше 40-50°C.
2. Ограничение максимального рабочего напряжения на уровне 80-90% от номинального.
3. Избегание глубоких циклов разряда, ограничение глубины разряда до 70-80%.
4. Обеспечение периодов отдыха между циклами интенсивной работы.
5. Минимизация времени нахождения в полностью заряженном состоянии.
6. Использование суперконденсаторов с запасом по емкости и максимальному току.
7. Применение систем контроля температуры и балансировки напряжения в батареях из последовательно соединенных элементов.

Соблюдение этих рекомендаций позволит значительно увеличить срок службы суперконденсаторов в различных применениях.

Перспективы улучшения долговечности суперконденсаторов

Исследования в области повышения срока службы суперконденсаторов ведутся по нескольким основным направлениям:

• Разработка новых типов электролитов с улучшенной стабильностью
• Совершенствование структуры и материалов электродов
• Улучшение герметизации для снижения потери электролита
• Оптимизация внутренней конструкции для снижения локальных перегревов
• Разработка гибридных систем, сочетающих преимущества суперконденсаторов и аккумуляторов

Ожидается, что в ближайшие годы удастся значительно увеличить срок службы суперконденсаторов, что расширит сферу их применения в различных отраслях.

Заключение

Исследования механизмов старения суперконденсаторов показывают, что их долговечность определяется сложным взаимодействием различных факторов. Понимание этих процессов позволяет оптимизировать конструкцию и режимы эксплуатации для максимального продления срока службы. При правильном применении современные суперконденсаторы способны обеспечить длительную и надежную работу в самых различных условиях.

Ионисторы Panasonic: физика, принцип работы, параметры

При реализации автономного питания довольно часто также необходимо реализовать начальные большие кратковременные токи (например, ручной электроинструмент с аккумуляторным питанием), и обойтись только аккумулятором не представляется возможным. Тогда используют комбинацию аккумулятор (или батарея)/электролитический конденсатор. Аккумулятор или батарея реализуют долговременное энергонезависимое питание, а электролитический конденсатор — кратковременный большой ток в нагрузку. Относительно недавно появился новый класс приборов — ионисторы. В отличие от батарей, аккумуляторов или электролитических конденсаторов, где используются необратимые, обратимые химические реакции или классический заряд конденсатора соответственно, в ионисторах применяется механизм образования «двойного электрического слоя». Ионисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с вышеприведенными устройствами: это широкий температурный диапазон, большая емкость, высокое сопротивление изоляции (низкие токи утечки), длительный срок службы, отсутствие необходимости контроля процесса зарядки, до нескольких десятков тысяч циклов заряд/разряд.

Сегодня ионисторы выпускаются многими производителями, как отечественными, так и зарубежными. В данной статье использованы материалы компании Panasonic, и на примере ионисторов данной компании, получивших фирменное название Gold Capacitors (Gold Cap), мы рассмотрим их физику и принцип работы, возможные варианты конструкции и эквивалентной схемы, характеристики и параметры, а также рекомендации по возможному применению.

 

Физико-химические основы работы ионистора

Известно, что обычные конденсаторы имеют многослойный или монолитный диэлектрик между двумя обкладками. В алюминиевом электролитическом конденсаторе, например, в качестве диэлектрического слоя используется пленка оксида алюминия, а в танталовом конденсаторе — пленка оксида тантала. Ионистор же не имеет диэлектрического слоя, в нем применяется физический механизм образования двойного электрического слоя, который работает аналогично заряженному диэлектрику. Процесс зарядки/разрядки происходит в слое ионов, сформированном на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля (рис. 1). Под действием приложенного напряжения анионы и катионы движутся к соответствующему электроду и накапливаются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Вследствие этого и появилось название «конденсатор с двойным электрическим слоем» (electric double layer capacitor — EDLC).

Рис. 1. Образование двойного электрического слоя на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля

 

Принцип работы и возможные конструкции

Существует два типа электролитов, которые чаще всего используются сейчас производителями ионисторов: водные (водорастворимые) и органические (водонерастворимые). Безводный электролит позволяет прикладывать напряжение до 3 В к ячейке ионистора, что в два раза выше по сравнению с водорастворимым электролитом, для которого это напряжение не превышает 1,5 В. В данном случае двойной электрический слой работает как изолирующий и при приложении постоянного внешнего напряжения не позволяет протекать сквозному току. При конкретном уровне напряжения определенной полярности за счет электрохимических процессов начнет протекать ток. Величина этого напряжения названа «напряжением разложения» или «напряжением электрохимического распада электролита». Дальнейшее увеличение напряжения заставит электролит разлагаться более интенсивно, приводя к появлению дополнительного тока, и ионистор выйдет из строя. Поэтому при зарядке приложенное к ионистору напряжение ограничено напряжением разложения, вследствие чего довольно часто ионисторы соединяют последовательно.

Как было сказано выше, положительные и отрицательные заряды формируются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Границей раздела в этом случае будет двойной электрический слой (рис. 2а). Эта область увеличивается при приложении более высокого напряжения (рис. 2б), и накапливаемый заряд увеличивается. Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы, то есть около 5–10 нм. В качестве электродов, например, в ионисторах Panasonic используется активированный уголь (в виде мелкодисперсной фракции), изготовленный по специальной порошковой технологии, и органический электролит. Электролит проникает между частицами активированного угля, и электрод, таким образом, «пропитан» электролитом. Общую емкость ионистора можно представить, как большое количество малых конденсаторов, где каждая частица из активированного угля — своеобразный электрод для малого конденсатора с емкостью, обусловленной двойным электрическим слоем.

Рис. 2. Образование двойного электрического слоя (а) и увеличение заряда при приложении напряжения (б)

Общая емкость ионистора может быть представлена как:

где d — толщина двойного электрического слоя 5–10 нм, S — общая площадь поверхности электрода из активированного угля.

Поскольку электрод ионистора представляет собой совокупность огромного количества частиц активированного угля, он имеет очень большую «развитую» площадь поверхности, приблизительно до 2500–3000 см²/г. Это позволяет получить емкость до нескольких десятков фарад.

На рис. 3 представлена одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic. Между электродами для предотвращения проникновения ионов расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет не допустить короткого замыкания между электродами.

Рис. 3. Одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic

Эквивалентная схема

Поскольку двойной электрический слой сформирован на поверхности активированного угля, который находится в контакте с электролитом, для ионисторов может быть применена эквивалентная схема с использованием условных конденсаторов (рис. 4). Каждый малый конденсатор на основе структуры частица активированного угля/электролит будет обладать емкостью двойного электрического слоя — Cn. Значения сопротивлений заряда R_sn в процессе заряда и сопротивление нескомпенсированных ионов R_ln могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от расстояния между «токоведущими» электродами, скоростью передвижения ионов, контактного сопротивления между частицами активированного угля и других параметров.

Рис. 4. Схематическое изображение многослойной структуры активированный уголь/электролит

Эквивалентная схема ионистора на основе параллельного соединения сопротивлений и емкостей малых конденсаторов приведена на рис. 5а. R₁, R₂ и R_n — сопротивления изоляции (внутреннее сопротивление частиц активированного угля), C₁, C₂ и C_n — соответствующая емкость двойного электрического слоя для сопротивлений R₁, R₂ и R_n.

Рис. 5. Варианты эквивалентной схемы ионистора на основе малых конденсаторов двойного электрического слоя от каждой частицы активированного угля и сопротивления изоляции (сопротивления частиц активированного угля) (а) и с учетом сопротивлений электродов и сепаратора (б)

Если приложить напряжение (V) к эквивалентной схеме, приведенной на рис. 5б, которая учитывает сопротивление электродов и сепаратора, то зарядный ток (i) можно описать согласно:

Необходимо отметить, что при уменьшении величины зарядного тока (i) время заряда увеличится. Зарядный ток, согласно уравнению (2), графически будет представлен как прямая линия. Однако фактически кривая зарядного тока носит экспоненциальный характер (рис. 6а, б). Ток (i) в пределах ионистора может быть представлен как сумма токов, протекающих через каждый из малых конденсаторов (рис. 6б, 7а). Также необходимо отметить, что, если значение постоянной времени CxR мало, время зарядки тоже будет мало, и наоборот, если значение CxR большое, время зарядки будет большое. То есть если время зарядки ограничено несколькими минутами или источник заряда ограничен, ионистор не может достаточно зарядиться, чтобы запасти заданную энергию в течение необходимого времени.

Рис. 6. Зависимость зарядного тока от времени заряда: а) расчетная и реальная зависимости; б) как сумма токов через малые конденсаторы

Рис. 7. Эквивалентная схема со значениями напряжений сразу после процесса заряда и после разряда (а) и понижение напряжения в начале работы вследствие недостаточного заряда малых конденсаторов (б)

Электрические, эксплуатационные и надежностные параметры ионисторов

Емкость

При аналогичных условиях эксплуатации и тестировании емкость ионистора подобна эффективной емкости батареи. Как было сказано ранее, ионистор можно представить в виде эквивалентной схемы из малых конденсаторов, имеющих различные значения сопротивления. Если начальное зарядное напряжение ниже напряжения полного заряда (V₀), то в начале измерения емкости после снятия зарядного напряжения напряжение на ионисторе упадет вниз (рис. 8). Это связано с наличием не полностью заряженных малых конденсаторов с большим внутренним сопротивлением. Однако, увеличивая время зарядки, эти малые конденсаторы с большим внутренним сопротивлением зарядятся, что приведет к увеличению измеренной емкости.

Рис. 8. Зависимость напряжения для ионистора от времени

Емкость ионистора может быть оценена следующим образом:

где С — электростатическая емкость (Ф), I — тестовый ток (А), V₁–V₂ — тестовый диапазон напряжений, (В) t — время (c). Емкость, конечно же, зависит от тока. Если ток разряда большой или конденсатор разряжался в течение длительного периода времени, результирующая емкость будет мала. И наоборот, если ток разряда мал или конденсатор разряжался в течение короткого периода времени, измеренная электростатическая емкость будет большая. Поэтому, чтобы иметь воспроизводимые измерения, используют стандартный ток разряда 1 мA/Ф.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление ионистора, например, по сравнению с электролитическими конденсаторами, велико, поскольку эквивалентная схема ионистора состоит из соединений большого количества малых конденсаторов, имеющих различные значения внутреннего сопротивления. Обычно значения этих сопротивлений могут быть представлены для постоянного напряжения. Но, чтобы получить их истинное значение, необходимо использовать комплексное сопротивление Z (к примеру на 1 кГц). Если измерять ток от 30 до 60 мин после приложения номинального напряжения, он будет довольно большой, до 10 мкА, вследствие того, что этот ток является суммой зарядных токов, протекающих через малые конденсаторы. Так как чрезвычайно трудно определить токи утечки в ионисторах, их чаще всего не указывают в документации. Требуется минимум 10 часов, чтобы полностьюзарядить ионистор так, чтобы появилась возможность оценить ток утечки.

Характеристика заряда

Характеристика зарядки ионистора при условии некоторых допущений может быть представлена выражением (4):

На рис. 9а приведена зависимость напряжения на ионисторе Panasonic EECF5R5U104 от времени заряда при различном сопротивлении нагрузки. С увеличением сопротивления характеристика становится более пологая, а время зарядки увеличивается.

Время разряда для постоянного тока и постоянного сопротивления нагрузки при разряде приведены в выражениях (5) и (6) соответственно:

где: t — время, С — емкость, V₀ — внутреннее напряжение, V₁ — напряжение после t(с), I — ток нагрузки, R — сопротивление нагрузки.

На рис. 9б приведена зависимость напряжения ионистора Panasonic EECF5R5U104 от времени разряда при различном времени процесса зарядки. Видно, что, например, при изменении времени процесса заряда с одного часа до 100 часов, напряжение фактически меняется с 2,5, до 2,8 В, то есть процесс зарядки ионистора может быть очень быстрым.

Рис. 9. Зависимость напряжения ионистора от времени заряда при различном сопротивлении (а) и времени разряда при различном времени заряда (б)

Характеристика разряда и саморазряда

Характеристика разряда ионистора с учетом (3) может быть представлена следующим образом:

Характеристика саморазряда ионистора может быть представлена следующим образом:

где R_L — сопротивление изоляции (сумма сопротивлений частиц активированного угля электрода).

Предполагаемый срок эксплуатации, срок службы и t_back-up

Предполагаемый срок эксплуатации может быть оценен следующим образом:

Срок службы ионистора, как правило, ограничен временем t_back-up, которое задано по условиям эксплуатации. t_back-up (Back-up time) — это время, когда ионистор работает как резервный источник питания между циклами заряда и разряда.

Например, оценим t_back-up для F-типа ионистора Panasonic, EECF5R5h205 (5,5 В, 1,0 Ф), полный заряд при 5,0 В постоянного напряжения, разрядный ток 10 мкА. Температура при разряде –40 °C, напряжение, до которого разрядится ионистор, — 2 В.

Параметр t_back-up может быть рассчитан следующим образом:

где C — емкость ионистора (Ф), i — ток в течение t_back-up (A), i_L — ток утечки (A), R — внутреннее сопротивление ионистора (Ом на 1 кГц), V₁ — напряжение, до которого разрядится ионистор (В), V₀ — приложенное напряжение (В).

Тогда C = 0,8 Ф (1,0 Ф – 20%), R = 50 Ом, V₀ = 5 В, V₁ = 2 В, i =10 мкA. Следовательно: t_back-up = 0,8×(5–0,0005–2)/(10+2×10^–6) = 55 часов.

Этот расчет показывает, что время, которое ионистор будет работать при приведенных условиях как резервный источник питания, составляет около 55 часов.

Если мы возьмем, например, реальное изменение емкости в 30% при четырехкратном изменении внутреннего сопротивления, при 85 °C и 5,5 В, то после 1000 часов эксплуатации t_back-up изменится и составит около 38 часов.

Для учета температурного фактора для ионисторов можно использовать уравнение Аррениуса, согласно которому срок службы устройства удваивается при уменьшении температуры окружающей среды на каждые десять градусов.

При изменении напряжения с 5,5 до 5 В фактор напряжения для изменения емкости составит 1,1. Таким образом, предполагаемый срок эксплуатации = срок службы × температурный фактор × фактор напряжения = 1000 (ч)×22,6×1,1 = 24 800 (ч) = 2,8 года.

Приведенные оценки носят рекомендательный характер. При выборе ионистора, конечно, надо учитывать все необходимые условия и факторы.

Диапазон емкостей ионистора занимает промежуточное положение между емкостями алюминиевого электролитического конденсатора и аккумуляторами и батареями (рис. 10). Ионистор главным образом используется как резервное или автономное питание, а также как замена батарей или аккумуляторов.

Рис. 10. Диапазон емкостей ионистора, алюминиевого электролитического конденсатора, аккумуляторов и батарей

Срок службы. Срок службы ионисторов очень большой. Фактически, когда ионистор находится в надлежащих условиях, он может работать столь же долго, как и само оборудование, в котором он используется.

Широкий рабочий температурный диапазон. Батареи обычно восприимчивы к перепадам температуры и имеют тенденцию терять энергию в процессе нагревания или при низких температурах, например, ниже 0 °C. Некоторые ионисторы могут работать вплоть до индустриального температурного диапазона.

Нет необходимости в контроле заряда. Ni-Cd батареи выделяют тепло в процессе заряда или разряда, которое сокращает срок их службы, поэтому возникает необходимость в схеме контроля заряда и нагрузки. Ионисторы не имеют никакого ограничения по процессу заряда и разряда и не нуждаются в контроле процесса заряда.

Скорость заряда, повторный заряд/циклы разряда. Для ионисторов возможны быстрый заряд и большое количество циклов заряд/рязряд (до нескольких десятков тысяч), поскольку в них не происходит никаких внутренних химических реакций, как, например, в батареях. Ионисторы идеально подходят для схем, в которых необходимы быстрые процессы заряда.

Экологическая чистота. В ионисторах Panasonic не используется никаких токсичных материалов типа свинца, кадмия или ртути. Ионисторы Panasonic удовлетворяют всем требованиям RoHS.

Типы и характеристики ионисторов Panasonic

Компания Panasonic предлагает широкий диапазон типов ионисторов в различных корпусах. Эти устройства могут отличаться по рабочему температурному диапазону, емкости, напряжению и току, а также по применению (рис. 11, табл. 1). В зависимости от тока, ионисторы можно условно разделить на слабо-, средне- и сильноточные (табл. 2, 3). Ионисторы с небольшими токами, как правило, используются в схемах резервного питания, питания схем памяти, цифровых устройствах и т. д. Ионисторы с большими токами (например, HW-серия) используются в схемах управления электродвигателями, в автомобильной электронике и т. д.

Рис. 11. Различные семейства ионисторов Panasonic

Таблица 1. Рекомендуемые серии для типичных применений

Таблица 2. Диапазон емкостей

Код емкости: 223 = 0,022 Ф, 104 = 0,1 Ф, 106 = 10 Ф *EN224 = 0,2 Ф = 2,1 В

Таблица 3. Диапазон токов

Как говорилось ранее, процесс заряда ионистора с учетом некоторых допущений может быть описан выражением (4). На рис. 12а приведена характеристика заряда для ионистора EECF5R5U105 фирмы Panasonic при двух различных сопротивлениях. Поскольку зависимость экспоненциальна, фактически различия наблюдаются на начальном этапе зарядки, в течение 6–7 минут. На рис. 12б для этого же ионистора приведена характеристика саморазряда. Видно, что процесс заряда оптимален при времени заряда больше 24 часов, однако на процесс саморазряда время заряда влияет не сильно, поскольку внутреннее сопротивление ионистора в этом случае изменяется лишь за счет сопротивления перераспределенных ионов. Чем ниже температура работы ионистора, тем больше время саморазряда, и срок службы устройства будет существенно больше (рис. 13). Поскольку зависимость времени разряда от емкости и сопротивления нагрузки прямо пропорциональная, а от напряжения — логарифмическая (смотри зависимость 6), то при большей емкости ионистора и сопротивлении нагрузки, при прочих равных (температура, условия заряда и т. д.), время процесса разряда будет больше (рис. 14а, б). Характеристика разряда, в отличие от саморазряда, зависит от температуры меньше (рис. 15). Изменение емкости, например, для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф) (условия измерения: 5,5 В, +70 °С) от тока разряда, приложенного напряжения и температуры фактически начинают проявляться при времени, превышающем 1000 часов (рис. 16).

Рис. 12. Характеристика заряда (а) и саморазряда (б) для EECF5R5U105 (5,5 В, 1,0 Ф) при +20 °С

Рис. 13. Характеристика саморазряда в зависимости от температуры для EECS0HD104V (5,5 В, 0,1 Ф)
Условия заряда: 5 В, 24 часа

Рис. 14. Характеристика разряда для ионисторов различной емкости при сопротивлении 1 МОм (а) и в зависимости от сопротивления для EECS0HD473V (5,5 В, 0,047 Ф) (б). Условия заряда: 5 В, 24 часа, +20 °С

Рис. 15. Характеристика разряда в зависимости от температуры при сопротивлении 250 кОм для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф). Условия заряда : 5 В, 24 часа, +20 °C

Рис. 16. Зависимость между током разряда (а), приложенным напряжением (б), температурой (в) и изменением емкости для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф). Условия измерения: 5,5 В, +70 °С

Компоненты и технологии — журнал об электронных компонентах, датчиках, микросхемах, микроконтроллерах, светодиодах, DSP

Одними из наиболее распространенных как в домашних, так и в промышленных условиях являются аппараты инверторного типа ММА. В основе технологии наплавка металла сменным электродом. Инверторное оборудование неприхотливо, имеет компактные габариты и небольшой вес. КПД таких устройств может достигать 95%, что для домашнего пользователя – более чем достаточно.

В прошлом году было принято решение о слиянии китайской компании Tianma Microelectronics, всемирно известного производителя TFT-дисплеев и AM-OLED-индикаторов, и японской NLT Technologies (ранее NEC), выпускающей TFT-дисплеи для ответственных применений. Мы обратились к Томасу де Лаару (Thomas de Laar), руководителю индустриального и телекоммуникационного направления в Tianma NLT Europe, с прос…

Touch Taiwan — ежегодная международная выставка электроники и полупроводниковых технологий, которая в этом году проводилась c 27 по 29 апреля в городе Nangang District, Тайвань. В экспозиции были широко представлены полупроводниковые технологии, интеллектуальное производство, автоматизация производства, робототехника, электронные материалы и компоненты, машинное зрение и оборудование для изгото…

Сегодня заказчик аппаратуры радиоконтроля и радиомониторинга хочет иметь в рамках заданного бюджета максимальный функционал изделия и возможность полностью переносить его в разные конструктивные исполнения. При этом должно быть предусмотрено дальнейшее наращивание числа каналов, пространственно распределенное размещение аппаратуры и удаленное управление. Распространенный принцип построения уник…

Компания ODU (Германия) принадлежит к числу ведущих производителей соединительных систем для электронных устройств и выпускает широкий ассортимент соединителей — это одиночные контакты ODU SPRINGTAC (не менее 100 000 циклов соединений), модульные разъемы ODU-MAC с неограниченными возможностями по комбинированию разнотипных контактов, а также миниатюрные цилиндрические разъемы ODU MINI-SNAP и OD…

Энергия является важным, но часто упускаемым из виду компонентом производства кормов. Силовые агрегаты используются для множества процессов производства кормов, таких как измельчение, смешивание и гранулирование. Поэтому важно внедрять более экологичные решения для обеспечения этих процессов.

Нивелиры — это высокоточные оптические приборы, основной функцией которых является определение разницы высот между точками. Для обеспечения высокой точности такие средства измерений требуют периодической тщательной поверки и точного выполнения всех геометрических требований.

В статье кратко описаны кабельные вводы, электрические разъемы и гидравлические соединители китайской компании Beisit Electric Tech. Мы не поскупились на графические иллюстрации и надеемся, что материал поможет составить достаточно точное представление о продукции компании. Обратите внимание, что описанные компоненты предназначены для использования в промышленных приложениях, в том числе на тра…

В этом году на российском рынке устройств для гальванической развязки цепей появились новые оптопары производства китайской компании Hualian. О преимуществах этой продукции, принципах работы и планах компании расскажет Харви Шанг.

Ежегодно журнал Information Display Magazine, издаваемый международным комитетом SID (Society Information Display), организует экспертный совет по присуждению премий за самые значительные достижения в области дисплейных технологий. В этом году выставка проходили в маленьком городке Сан-Хосе (Калифорния, США) параллельно с симпозиумом SID.

Страница 1 из 48112345…102030…»Последняя »

Деградация суперконденсаторов и срок службы

Источник: EPCI e-Symposium PCNS paper

by Власта Седлакова , Йозеф Сикула, Иржи Майзнер, Петр Седлак

9000 2 CEITEC , Брненский технологический университет , Брно, Чешская Республика

представлено В.Седлаковой на 2-й PCNS 10-13 сентября 2019 г., Бухарест, Румыния в качестве документа 3.4.

Abstract

Деградация суперконденсатора (СК) оценивается во время испытаний на старение. Непрерывное циклирование тока для 100% энергии и 75% энергии и прерывистое циклирование для 75% энергии, соответственно, выполняли на двух разных типах суперконденсаторов. Параметры СК определяются перед испытанием на старение и в течение 6×10 ⁵ циклов всех трех циклов тока.

Исчезновение емкости в ходе испытаний циклическим током коррелирует с результатами изменения емкости в ходе испытаний на календарный срок службы при различных температурах и рабочих напряжениях. Две исследованные технологии СЭ показывают разную чувствительность к температуре и электрическому полю при календарных испытаниях, а также несколько разную эволюцию емкости при циклировании. Мы показываем, что затухание емкости происходит по двум механизмам.

Первая может быть охвачена экспоненциальной функцией квадратного корня из времени старения, а вторая описывается функцией Гаусса. Первый механизм старения, связанный, вероятно, с ухудшением параметров электролита, наблюдается для всех испытуемых образцов, тогда как второй механизм проявляется только в тяжелых условиях испытаний – повышенной температуре и/или повышенном рабочем напряжении.

Мы предполагаем, что второй механизм старения связан с деградацией активной области электрода, вызванной, вероятно, снижением потенциального барьера на границе электрод/электролит. Далее показано, что при одном и том же циклическом токе более длительное время заряда/разряда ускоряет деградацию КЗ.

Введение

Суперконденсатор (SC) представляет собой устройство накопления энергии с высокой плотностью энергии, низкой скоростью саморазряда и относительно долгим сроком службы. На срок службы влияют рабочая температура, приложенное напряжение, а также ток заряда/разряда [1–3]. Ячейки SC имеют большой срок службы из-за химической и электрохимической инертности электродов из активированного угля.

Однако во временном масштабе месяцев опыт показывает снижение производительности СК, заключающееся в уменьшении емкости и увеличении ESR [4–8]. Скорость деградации из-за испытания на циклическое старение намного выше, чем скорость деградации из-за испытания на календарное старение с эквивалентным напряжением и температурой [1–3].

В этом исследовании проводится анализ влияния режимов старения на характеристики СЭ путем мониторинга емкости по постоянному току и ESR по постоянному току, а также параметров физической модели эквивалентной схемы (см. рис. 1). Суперконденсатор моделируется схемой, состоящей из двух идеальных конденсаторов, двух идеальных резисторов и одного резистора с изменяющимся во времени значением сопротивления.

Конденсаторы C1 и C2 представляют емкость двойного слоя Гельмгольца C _H и увеличение емкости из-за диффузии зарядов в электролите C _D соответственно. Резисторы представляют собой эквивалентное последовательное сопротивление R ₁ и сопротивление параллельной утечки R _L соответственно. Резистор с зависящим от времени сопротивлением R ₂ ( t ) представляет собой диффузное сопротивление между гельмгольцевой и диффузной емкостями, которое увеличивается со временем заряда/разряда КЗ [4].

Рис. 1. Эквивалентная модель электрической цепи для суперконденсатора [4]

Для исследования старения СЭ использовались два экспериментальных метода: (i) Энергоциклические испытания – прерывистое 75%-ное циклическое испытание (D75%), непрерывное 75%-е (C75%) и непрерывное 100%-ное энергетическое циклическое испытание (C100%), соответственно, при температуре 25°C, и (ii) календарные испытания на долговечность при различных рабочих напряжениях и температурах. Постоянное электрическое поле при заданной температуре, установленной для соответствующего календарного испытания, приводит к уменьшению емкости и увеличению ESR испытуемых СЭ.

Мы показываем, что затухание емкости происходит по двум механизмам. Первая может быть охвачена экспоненциальной функцией квадратного корня из времени старения, а вторая описывается функцией Гаусса. Первый механизм старения наблюдается для всех испытуемых образцов, а второй механизм проявляется только в жестких условиях испытаний – повышенной температуре и/или повышенном рабочем напряжении.

Целью циклических испытаний является определение того, как переменное электрическое поле и индуцированный самонагрев влияют на процесс деградации емкости и эквивалентного последовательного сопротивления соответственно [1–3, 9]. По результатам, полученным для тестов С100% и С75%, где используется циклический ток одного и того же значения, а напряжение конца разряда варьируется, мы покажем, что увеличение времени заряда/разряда ускоряет деградацию КЗ.

Экспериментальный

Эксперименты проводились на суперконденсаторах двух типов с номинальной емкостью 10 Ф и номинальным рабочим напряжением Vop = 2,7 В. обозначенный как «Новый», представляет собой прототип с измененной технологией.

Тест циклического энергопотребления основан на периодических импульсах тока заряда/разряда до максимального рабочего напряжения (Vop). Значение тока заряда/разряда составило 2,7 А для испытаний на циклическое энергопотребление C75% и C100% и 1,35 А для испытаний D75% соответственно. Циклирование проводилось в диапазоне напряжений от 0 до 2,7 В для теста C100% и в диапазоне от 1,35 до 2,7 В для тестов C75% и D75%.

Продолжительность одного цикла зависит от емкости КЗ. Значение тока заряда/разряда было разработано таким образом, чтобы продолжительность цикла составляла 20 секунд для теста C100%, 10 секунд для теста C75% и 40 секунд для теста D75% (включая 10 секунд времени отдыха после зарядки и разрядки SC). , соответственно. Однако реальная продолжительность цикла уменьшается с падением емкости. Общая длина каждого 10 9Было измерено 0023 5 циклов, и далее показана эволюция параметров СК в зависимости от времени циклирования.

Параметры суперконденсатора оценивались периодически после каждых ста тысяч циклов. В дополнение к емкости по постоянному току (DC CAP) и ESR по постоянному току, измеренным стандартным тестом как для нового, так и для старого набора образцов, для набора новых образцов были определены параметры физической модели эквивалентной схемы [1, 4].

Календарные ресурсные испытания запасенной энергии СК поддерживаются за счет поддержания напряжения на постоянном значении при заданной температуре. Для оценки срока службы СЭ были заданы пять различных условий испытаний (температура в зависимости от значения напряжения):

• -35°C/1,0Vop
• 22°C/1,0Vop
• 22°C/1,2Vop
• 45°C/0,8Vop
• 65°C/0,6Vop.

Параметры суперконденсатора DC CAP и DC ESR оценивались через 200, 400, 700 и 1000 часов, а затем каждые 1000 часов до 9000 часов.

Результаты и обсуждение

Параметры физической модели эквивалентной схемы емкость Гельмгольца C _H , диффузная емкость C _D , эквивалентное последовательное сопротивление R ₁ и параметр диффузного сопротивления R _{D0 ,} соответственно, определенные для новых образцов в циклических испытаниях C100%, C75% и D75% показаны на рис.

2 и 3. Методика определения этих параметров подробно изложена в [1, 4].

Рис. 2. Емкость Гельмгольца C _H (левый график) и диффузионная емкость C _D (правый график) в зависимости от времени старения для циклических испытаний C100% (синяя точка), C75% (красный квадрат) и D75% (черный треугольник) для новых образцов

В то время как значение емкости Гельмгольца непрерывно уменьшается с ростом По мере старения значение диффузионной емкости падает с примерно 4,5 C до примерно 2 C в течение начальных 10 ⁵ циклов для теста C100% и 2×10 ⁵ циклов для теста C75%, соответственно. Тогда значение C _D остается постоянным в течение дополнительных 4×10 ⁵ циклов для тестов C100% и C75%. Умеренное увеличение значения

C _D обнаружено при дальнейшем старении. Аналогичное поведение значения C _D , но замедленное, регистрируется и для теста D75%.

Диффузное сопротивление R _D между емкостью Гельмгольца и диффузной емкостью определяется по формуле (см. [4]): 0   — напряжение в начале диффузного емкостная зарядка,

t ₂ – постоянная времени процесса диффузии

В ₁ ожидаемое значение напряжения на бесконечности

C _D — диффузионная емкость

R _D0 — параметр диффузного сопротивления, равный значению сопротивления R _D в момент времени t  = 1 с.

Параметр диффузного сопротивления R _D0 увеличивается со временем старения, с циклическим током, а также с энергией, передаваемой через КЗ за один цикл (см. рис. 3 – слева). Наибольший прирост наблюдается в начале старения. Диффузионные процессы в СК связаны с концентрацией и подвижностью ионов в электролите и с градиентом их распределения/концентрации вблизи границы раздела угольный электрод/электролит.

Зависимость диффузионной емкости, а также параметра диффузного сопротивления от времени старения свидетельствует о том, что существенные изменения свойств электролита наступают вскоре после приложения электрического поля. Значение эквивалентного последовательного сопротивления R ₁ , определенное из эксперимента заряд/разряд (см. [4]), показано на рис. 3 – справа. Достоверного увеличения СОЭ в циклических пробах не наблюдается.

Рис. 3. Параметр диффузного сопротивления R _D0 (левый график) и эквивалентное последовательное сопротивление R ₁ (правый график) в зависимости от времени старения для циклического теста C100% (синяя точка), C75% (красный квадрат) и D75% (черный треугольник) для Новых образцов

Старение СК методом энергоциклирования вызывает увеличение значения сопротивления R _D между емкостями Гельмгольца и диффузионной емкостью (см. рис. 4). Этот эффект более выражен в начале старения. Значение диффузного сопротивления R _D резко возрастает после каждой смены полярности тока. Чем дольше длится заряд или разряд, тем больше джоулева тепла выделяется на диффузионном сопротивлении и увеличивается внутренняя температура СЭ.

 

Рис. 4. Диффузное сопротивление R _D в зависимости от времени заряда/разряда – значения рассчитаны по уравнению. (1) для случая до старения и после 10 ⁵ , 2×10 ⁵ , 4×10 ⁵ и 6×10 ⁵ 9 0053 выполненные циклы старения (снизу вверх) для циклического теста C100% для новых образцов

В дополнение к параметрам физической модели эквивалентной схемы для нового и старого набора образцов были определены емкость по постоянному току (DC CAP) и ESR по постоянному току, измеренные стандартным испытанием. На рис. 5 видно, что значение DC CAP почти равно емкости Гельмгольца C _H Значение, определенное в цикле испытаний заряд/разряд [1], [4]. Для оценки угасания емкости со временем старения зависимость DC CAP от времени старения оценивалась как для испытаний на циклическое, так и на календарное старение.

Зависимости КПД постоянного тока от времени старения для С100%-го циклического испытания при комнатной температуре и для испытания на календарную долговечность при 22°С/1,0Вимп для новых образцов представлены на рис. 6 – левый график. Мы видим, что влияние циклического изменения тока на затухание емкости является значительным. Приложение статического электрического поля приводит к уменьшению примерно на 0,5 F, в то время как снижение примерно на 1,2 F определено для C100% циклического испытания после 2000 часов старения.

 

Рис. 5. Емкость Гельмгольца C _H (синий квадрат) и емкость по постоянному току DC CAP (черный треугольник) в зависимости от времени старения для циклического испытания C100% для новых образцов

Рис. 6. Емкость по постоянному току от времени старения для Циклическое испытание C100% и календарное испытание на срок службы при 22°C/1,0 В (левый график) и относительное значение емкости по постоянному току в зависимости от времени старения для циклических испытаний C100%, C75% и D75% и 22°C/1,2 Вop и 65°C/ 0,6Vop календарные испытания (график справа) – новые образцы

Рис. 7. Относительное значение емкости по постоянному току в зависимости от времени старения для циклических испытаний C100%, C75% и D75% для старых и новых образцов (левый график) и зависимость емкости по постоянному току от времени старения для C100%, C75% и D75 % циклических испытаний с соответствующими припадками снижения емкости в начале старения – Новые образцы (правый график)

Зависимости относительного значения емкости по постоянному току от времени старения для С100%, С75% и D75% циклических испытаний и 22° Калибровочные испытания C/1,2Vop и 65°C/0,6Vop показаны на рис. 6 – правый график для новых образцов. Снижение емкости, вызванное календарными ресурсными испытаниями, меньше в начале старения даже в жестких условиях старения (приложенное напряжение 3,24 В или повышенная температура 65°С соответственно). Однако после 2000 часов старения при повышенной температуре и после 4000 часов старения при повышенном приложенном напряжении у образцов при календарных ресурсных испытаниях наблюдается резкое уменьшение емкости. Резкое уменьшение емкости начинается в момент, когда значение емкости уменьшается примерно на 7 % из-за календарных ресурсных испытаний. Это резкое уменьшение емкости обнаружено также для теста на циклирование C100%, но здесь это происходит после того, как значение емкости уменьшилось примерно на 12 %.

Зависимости относительного значения DC CAP от времени старения для циклических испытаний С100%, С75% и Д75% как для Старого, так и для Нового образцов представлены на рис. 7 – слева. Уменьшение емкости, вызванное циклическими испытаниями C75% и D75%, одинаково как для новых, так и для старых образцов и может быть охвачено экспоненциальной функцией во всем изученном временном интервале старения. Результаты, полученные для циклических испытаний C100%, различаются после 1000 часов старения. В то время как результаты, определенные для Старых образцов, могли быть охвачены экспоненциальной функцией во всем исследованном интервале старения 0–4000 часов, результаты для Новых образцов могли быть охвачены экспоненциальной функцией только в диапазоне от 0 до 2000 часов, затем резкое снижение емкости определяется при циклическом тесте C100%.

Зависимости DC CAP от времени старения для циклических испытаний С100%, С75% и Д75% представлены на рис. 7 – справа. Эти зависимости аппроксимируются экспоненциальной функцией корня квадратного от времени в интервале времени от 0 до 2000 часов для С100%-го испытания и во всем исследуемом временном интервале для С75%-го и Д75%-ного циклических испытаний соответственно:

(2)

где

• t время в часах
• C ₁ значение емкости для времени старения на бесконечности
• C ₂ – уменьшение емкости из-за циклирования
• t _h – постоянная времени цикла деградации энергии в часах

Значения этих параметров, полученные на основе экспериментальных данных для новых образцов, показаны в таблице 1. D75% циклические испытания – новые образцы

Циклический тест	C  ( t = 0 ч) / F	С 1 / Ф	С 2 / Ф	т ч / час
С100%	8,95	7,66	1,29	487
С75%	8,99	7,52	1,47	1646
Д75%	9.10	7,93	1,17	1805

Значение константы t _h цикла деградации энергии зависит от количества энергии, рассеиваемой в объеме образца в течение одного часа. Для циклического теста C75% он значительно выше, чем для циклического теста C100%. На рис. 3 справа показано, что значение СОЭ сопоставимо для образцов, подвергнутых циклическим испытаниям как С75%, так и С100%.

Предположим, что дополнительная диссипация энергии происходит на диффузном сопротивлении R _D . Диффузное сопротивление зависит от времени и достигает значения до 25 Вт в каждом цикле зарядки/разрядки теста C75%, в то время как значение увеличивается примерно до 36 Вт в каждом цикле C100% в начале старения. Эти значения увеличиваются до 40 Вт в каждом цикле зарядки/разрядки при испытании C75% и примерно до 63 Вт в каждом цикле C100% после 6 x 10 ⁵ циклов старения.

 

Рис. 8. Относительное значение емкости по постоянному току в зависимости от времени старения (в интервале времени от 0 до 2000 часов) для испытаний на календарный срок службы -35°C/1.0Vop; 22°C/1,0Vop; 22°C/1,2Vop; 45°C/0,8Vop; 65°C/0,6Vop как для старых (сплошные линии), так и для новых (пунктирные линии) образцов.

Зависимости относительного значения емкости по постоянному току от времени старения в течение первых 2000 часов календарных ресурсных испытаний -35°С/1,0Воп; 22°C/1,0Vop; 22°C/1,2Vop; 45°C/0,8Vop; 65°C/0,6Vop показаны на рис. 8 как для старого, так и для нового образца. Стрелки указывают на разницу между относительными значениями емкости по постоянному току старых и новых образцов, наблюдаемую в течение первых 1000 часов старения.

Здесь емкость образцов Новой технологии показывает гораздо меньшее уменьшение по отношению к исходному значению, чем образцы Старой технологии. Образцы Новой технологии проявляют несколько иную чувствительность к условиям старения. В то время как уменьшение емкости в течение первых 1000 часов сравнимо для испытаний на календарный срок службы при 22°C/1,2Vop и 65°C/0,6Vop по старой технологии, для новой технологии повышенная температура 65°C/0,6Vop приводит к разумным результатам. более высокое снижение емкости, чем сильное электрическое поле в тесте 22°C/1.2Vop.

На рис. 9 представлены зависимости относительного значения емкости по постоянному току от времени старения при 10000 часов календарных ресурсных испытаний -35°С/1,0Воп; 22°C/1,0Vop; 22°C/1,2Vop; 45°C/0,8Vop; 65°C/0,6Vop как для старого, так и для нового образца. В отличие от поведения в течение первых 1000 часов старения, здесь образцы новой технологии показывают большее снижение емкости, чем образцы старой технологии.

Уменьшение особенно заметно для календарного испытания на срок службы 65°C/0,6Vop. Модифицированная технология гораздо более чувствительна к повышенной температуре, чем стандартная технология. Это видно также по результатам, измеренным для теста 45°C/0,8Vop – New, где относительное значение DC CAP после 9000 часов старения достигает 81 процента от начального значения емкости, и уменьшение емкости ускоряется. С другой стороны, результаты, измеренные для теста 45°C/0,8Vop – Old, показывают, что относительное значение CAP по постоянному току после 10000 часов старения достигает 88 процентов от исходного значения емкости, а снижение емкости стабилизируется между 3000 и 10000 часами. старения.

 

Рис. 9. Относительное значение емкости по постоянному току в зависимости от времени старения (в интервале времени от 0 до 10000 часов) для испытаний на календарный срок службы -35°C/1. 0Vop; 22°C/1,0Vop; 22°C/1,2Vop; 45°C/0,8Vop; 65°C/0,6Vop как для старых (сплошные линии), так и для новых (пунктирные линии) образцов.

 

Рис. 10. Относительное изменение ESR постоянного тока в зависимости от времени старения (в интервале времени от 0 до 10000 часов) для испытаний на календарный ресурс -35°C/1.0Vop; 22°C/1,0Vop; 22°C/1,2Vop; 45°C/0,8Vop; 65°C/0,6Vop как для старых (сплошные линии), так и для новых (пунктирные линии) образцов.

На рис. 10 представлены зависимости относительного изменения ЭПР постоянного тока от времени старения в интервале времени от 0 до 10000 часов для календарных ресурсных испытаний -35°С/1,0Воп; 22°C/1,0Vop; 22°C/1,2Vop; 45°C/0,8Vop; 65°C/0,6Vop как для старого, так и для нового образца.

Увеличение постоянного ESR свыше 100% от его начального значения коррелирует с уменьшением относительного значения DC CAP ниже 80% при начальной емкости. Для образцов стандартной технологии увеличение ЭПР связано с увеличением приложенного электрического поля, а для модифицированной технологии увеличение ЭПР обусловлено как увеличением приложенного электрического поля, так и повышением температуры.

 

Рис. 11. Относительное значение емкости по постоянному току в зависимости от времени старения для календарного испытания на срок службы 22°C/1,2Vop – измеренные данные (квадраты) и аппроксимация данных (сплошная линия) для старых (красный) и новых (синий) образцов

 

Рис. 12. Относительное значение емкости по постоянному току в зависимости от времени старения для календарного испытания на срок службы 65°C/0,6Vop – измеренные данные (квадраты) и аппроксимация данных (сплошная линия) для старых (красный) и новых (синий) образцов

Зависимости DC CAP от времени старения для всех календарных ресурсных испытаний могут быть аппроксимированы экспоненциальной функцией корня квадратного из времени (см. уравнение 2) либо на всем исследуемом временном интервале старения (детали, находящиеся в условиях умеренного старения), или только в начале старения (детали в жестких условиях старения – сильное электрическое поле и/или высокая температура).

Жесткие условия старения приводят к резкому снижению емкости, что, вероятно, связано с уменьшением эффективной площади электрода из-за разрушения потенциального барьера на границе раздела углерод-электролит. Аналогичное поведение наблюдалось и при старении другой конструкции на основе угольного электрода/электролита – литий-серных элементов и описано в [10]. Уменьшение емкости из-за этого механизма деградации можно смоделировать функцией Гаусса:

(3)

где

• t – время старения по второму механизму деградации в часах
• C ₀ — значение емкости в момент запуска второго механизма деградации
• t _G – постоянная времени процесса разложения в часах.

На рисунках 11 и 12 представлены зависимости относительного значения емкости по постоянному току от времени старения для календарных ресурсных испытаний 22°С/1,2Воп и 65°С/0,6Воп. Показаны измеренные данные и данные, подходящие как для образцов старой, так и для новой технологии. Значения параметров, полученные из экспериментальных данных, подходят как для новых, так и для старых образцов, показаны в таблице 2.

Новая технология по сравнению со Старой показывает более низкое относительное снижение емкости из-за первого механизма деградации, связанного с изменением параметров электролита, но второй механизм деградации, связанный с уменьшением эффективной площади электрода, начинается раньше и происходит из-за старение как в повышенном электрическом поле, так и в условиях повышенной температуры.

Чувствительность старой технологии к повышенной температуре ниже – снижение емкости при календарном испытании на срок службы 65°C/0,6Vop покрывается первым механизмом старения во всем оцениваемом временном интервале от 0 до 10000 часов.

Таблица 2. Константы, рассчитанные на основе экспериментальных данных, определяющих зависимость емкости постоянного тока C от времени старения для испытаний на календарную долговечность при 22°C/1,2 В и 65°C/0,6 В для новых и старых образцов

Проверка срока службы календаря	Первый механизм старения – уравнение. (2)	Второй механизм старения – уравнение. (3)
С 1 / %	С 2 / %	т ч / час	С 0 / %	т Г / час
22°C/1,2Vop – Новый	93,5	6,56	403	93,2	1,3 x 10 4
22°C/1,2Vop – Старый	84,9	14,8	890	86,8	1,7 x 10 4
65°C/0,6Vop – Новый	93,2	6,85	35	93,2	7110
65°C/0,6Vop – Старый	88,1	11,5	492	–	–

Выводы

Мы показываем, что затухание емкости происходит по двум механизмам. Первая может быть охвачена экспоненциальной функцией квадратного корня из времени старения, а вторая описывается функцией Гаусса. Первый механизм старения, связанный, вероятно, с ухудшением параметров электролита, наблюдается для всех испытуемых образцов, тогда как второй механизм проявляется только в тяжелых условиях испытаний – повышенной температуре и/или повышенном рабочем напряжении.

Мы предполагаем, что второй механизм старения связан с деградацией активной области электрода, вызванной, вероятно, снижением потенциального барьера на границе электрод/электролит. Снижение емкости, вызванное первым механизмом старения, меньше для образцов Новой технологии, что приводит к меньшему угасанию емкости в течение первых 1000 часов календарных ресурсных испытаний, но затем деградация, вызванная вторым механизмом старения, становится доминирующей в этой технологии как для повышенных температуре и повышенных условиях испытаний электрическим полем, что приводит к ускоренной деградации емкости.

По результатам, определенным для испытаний С100% и С75%, где используется циклический ток одного и того же значения при изменении напряжения конца разряда, показано, что увеличение времени заряда/разряда ускоряет деградацию КЗ .

Благодарность

Это исследование было проведено в рамках проекта CEITEC 2020 (LQ1601) при финансовой поддержке Министерства образования, молодежи и спорта Чешской Республики в рамках Национальной программы устойчивого развития II.

Ссылки

1. Седлакова В., Сикула Дж., Майзнер Дж., Седлак П., Купаровиц Т., Бюрглер Б. и Васина П. Оценка деградации суперконденсатора с помощью циклов мощности и календарных испытаний. Metrol Meas Syst , 2016, vol. 23, нет. 3, с. 345-358.
2. Пол Кречаник, Паскаль Вене, Алаа Хиджази, Гай Клерк. Изучение старения суперконденсаторов и оценка срока службы в соответствии с напряжением, температурой и среднеквадратичным значением тока. Транзакции IEEE по промышленной электронике , том. 61, нет. 9 сентября 2014 г., с. 4895-4902
3. Мюррей Д.Б. и Хейс Дж.Г. Циклические испытания суперконденсаторов для долговечных надежных приложений. IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 30, нет. 5, май 2015 г., с. 2505-2516
4. Седлакова В., Сикула Дж., Майзнер Дж., Седлак П., Купаровиц Т., Бюрглер Б., Васина П. Модель электрической цепи, эквивалентной суперконденсатору, основанная на перераспределении зарядов путем диффузии J. Power Sources , 2015, vol. 286, с. 58–65
5. Седлакова В., Дж. Сикула, Дж. Валса, Дж. Майзнер, П. Дворак, «Анализ заряда и саморазряда суперконденсаторов» в Proceedings of Passive Space Component Days , ESA/ESTEC, Нордвейк, Нидерланды, сентябрь 24 – 26, 2013.
6. Zubieta L и Bonert R. Характеристика двухслойных конденсаторов для приложений силовой электроники IEEE Trans. Индивидуальная заявка . 2000, том. 36, с. 199–205.
7. Graydon JW, Panjehshahi M и Kirk DW. Перераспределение заряда и ионная подвижность в микропорах суперконденсаторов. J. Power Sources, 2014, vol. 245, с. 822–829
8. Фаранда Р. Новая процедура идентификации параметров для упрощенной модели с двумя ветвями двухслойного конденсатора. Электр. Система питания Рез. 2010, том. 80, с. 363–371
9. Каус М., Коваль Дж. и Зауэр Д.У. Моделирование эффектов перераспределения заряда при саморазряде суперконденсаторов Electrochimica Acta (2010) 55 7516–23
10. Седлакова В., Сикула Дж., Седлак П., Чех О., Уррутия Л. Простая аналитическая модель снижения емкости литий-серных элементов IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 34, нет. 6, июнь 2019 г., с. 5779-5786.

---

 

Дополнительные технические документы 2-го симпозиума PCNS можно просмотреть и загрузить в формате pdf с сайта EPCI Academy e-Proceedings :

Срок службы конденсаторов – United Chemi-Con

перейти к содержанию Срок службы конденсатора

Срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов сильно зависит от окружающих и электрических факторов. Факторы окружающей среды включают температуру, влажность, атмосферное давление и вибрацию. Электрические факторы включают рабочее напряжение, пульсирующий ток и рабочий цикл заряда-разряда. Среди этих факторов температура (температура окружающей среды и внутренний нагрев из-за пульсаций тока) является наиболее важной для срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов. Принимая во внимание, что такие условия, как вибрация, удары и влажность, мало влияют на реальный срок службы конденсатора.

Факторы ускорения срока службы

Алюминиевые электролитические конденсаторы оцениваются с помощью ускоренных испытаний на срок службы. Испытания на ускорение содержат три фактора (один для температуры, напряжения и тока пульсации), которые представлены следующим уравнением:

Где:
L _B = Срок службы при определенных условиях «B»
L _A = Срок службы при определенных условиях «A»
A _T = Коэффициент ускорения температуры
A _В = Коэффициент ускорения напряжения
A _R = Коэффициент ускорения пульсаций тока

Влияние температуры на срок службы

электрохимическое устройство, повышенные температуры ускоряют скорость химической реакции внутри конденсатора (обычно повышение температуры на 10°C удваивает скорость химической реакции). Поэтому более высокие температуры вызывают ускоренные изменения в виде уменьшения емкости и увеличения tan d из-за постепенного испарения электролита через уплотнение конденсатора (см. рис. 2). Изменение эквивалентного последовательного сопротивления (DESR) может быть мерой потери электролита и, как было установлено экспериментально, зависит от температуры, как показано на рисунке 3. На этом рисунке вертикальная ось представляет собой отношение DESR при определенной температуре к нормализованному СОЭ при эталонной температуре (60° или 85°C для этих примеров). DESR при обеих температурах измеряется за одно и то же время испытаний.

Рис. 2. Зависимость срока службы от температуры

Рис. 3. Ускоренное температурное испытание

Коэффициент температурного ускорения и его связь с изменением емкости, ESR и потерями электролита показаны ниже.

(1) Взаимосвязь между Delta Cap и ESR в зависимости от потери массы электролита (Delta W) при различных температурах в зависимости от времени. Как и следовало ожидать, ухудшение характеристик конденсатора происходит быстрее при более высоких температурах, как показано на рис. 4. Также обратите внимание, что Delta Cap увеличивается пропорционально потере электролита, в то время как ESR увеличивается более быстрым образом.

Рисунок 4. Взаимосвязь между температурой окружающей среды и значением Delta Cap, ESR и Delta W

Рисунок 5. Потери электролита при испытании на срок службы в зависимости от температуры и потеря массы электролита. На рис. 5 представлены результаты типичного испытания, в котором потеря массы электролита увеличилась в 1,9 раза при повышении температуры на 10°С. СОЭ показывает аналогичное изменение из-за повышения температуры. Обычно коэффициент температурного ускорения составляет от 1,7 до 2,3, в зависимости от конкретных образцов. Из этих результатов мы можем сформулировать уравнение:

Где:
Delta T = «температура испытания на ускорение» минус «фактическая рабочая температура»
A _T = коэффициент ускорения.

На рис. 6 показан коэффициент ускорения при различных рабочих температурах для нескольких номиналов конденсаторов по сравнению с работой при 85°C.

Рис. 6. Коэффициент температурного ускорения, рассчитанный по изменению ESR.
(Коэффициент при 85°C определяется как 1.)

Влияние напряжения на срок службы

Напряжение в допустимом рабочем диапазоне мало влияет на фактический срок службы конденсатора. Однако в некоторых случаях или при неправильном применении приложенное напряжение может отрицательно сказаться на сроке службы алюминиевого электролитического конденсатора.

(a) Рабочее напряжение

При эксплуатации при напряжении, равном или ниже номинального значения, на срок службы электролитических конденсаторов меньше влияет приложенное напряжение, чем рабочая температура. Рисунки 7, 8 и 9показать результаты испытаний на долговечность при различных приложенных пониженных напряжениях. Кривые показывают, что срок службы конденсатора существенно не увеличился при снижении напряжения. Это связано с использованием надлежащих формирующих напряжений для минимизации газообразования и тока утечки. Отсюда можно сказать, что когда конденсаторы используются при номинальном напряжении или ниже, коэффициент ускорения AV равен 1.

0002 Рисунок 8. Применяемое напряжение и ожидаемый срок службы при 105°C

Рисунок 9. Прикладываемое напряжение и ожидаемый срок службы при 85°C

900 05 (b) Обратное напряжение

Применение обратного напряжение вызывает внутренний нагрев и окисление катодной фольги, в результате чего образуется газ, как показано в следующей формуле:

Повышение давления может привести к открытию предохранительного клапана или разрушению конденсатора. Ухудшение происходит медленно при обратном напряжении в несколько вольт. (См. рис. 10.)

(c) Чрезмерное напряжение

Постоянное приложение избыточного рабочего напряжения быстро увеличивает ток утечки. (См. рис. 11 и 12.) Внутренний нагрев и образование газа, вызванные повышенным током утечки, могут разрушить конденсатор.

Рисунок 10. Обратное напряжение при 85°C

Рисунок 11. Характеристики напряжения и IDCL

Рисунок 12. Избыточное рабочее напряжение при 85°C 3

(d) Режим заряда-разряда

При проектировании мощного заряда -разрядные цепи, клиентам рекомендуется выбирать конденсаторы, специально предназначенные для этого применения. Графики, показывающие характеристики этих конденсаторов при типичных условиях заряда-разряда, показаны на рисунках 13-15.

Рисунок 13. Тяжелый режим заряда-разряда

Рисунок 14. Тяжелый режим заряда-разряда

Алюминиевые электролитические конденсаторы общего назначения демонстрируют быструю емкость капли, вызванные окислением катодной фольги разрядом токи. Кроме того, разрядные токи могут вызывать нагрев и повышение давления, что приводит к вентиляции и потенциальному разрушению конденсатора.

Скорость износа при интенсивном заряде-разряде зависит от температуры и приложенного напряжения. (См. рисунки 14 и 15.)

Рисунок 15. Очень тяжелый зарядный дежурство

Влияние пульсационного тока на Life

по сравнению с другими типами конденсаторов, алюминиевые электролитические конденсаторы имеют более высокий загар D и, следовательно, подлежат большему внутреннему генера пульсирующие токи существуют. Для обеспечения срока службы конденсатора указывается максимально допустимый пульсирующий ток изделия.

Когда через конденсатор протекает пульсирующий ток, тепло выделяется за счет мощности, рассеиваемой в конденсаторе, что сопровождается повышением температуры. Внутренний нагрев, производимый пульсирующими токами, может быть представлен:

Вт = I _R ² * R _ESR + V * I _L ……..(1)

Где:
Вт = внутренние потери мощности
I _{R 9 0044 = ток пульсации
R ESR = внутреннее сопротивление (эквивалентное последовательное сопротивление)
В = приложенное напряжение
I L = ток утечки}

Токи утечки при максимально допустимой рабочей температуре могут быть в 5-10 раз выше значений, измеренных при 20°C, но по сравнению с I _R , л _L очень мал и незначителен.

Таким образом, уравнение (1) имеет аппроксимацию:

Вт ~= I _R ² * R _ESR ………(2)

тепловыделение приводит к следующему уравнению:

_R ² * R _ESR = b * A * DeltaT……..(3)

Где:
A = (Pi/4)D(D + 4L) Где: D = диаметр банки, L = длина банки
b = постоянная теплопередачи (значение b зависит от размера банки и находится в пределах от 0,0007 до 0,0013)
A = площадь поверхности контейнера
DeltaT = повышение внутренней температуры, вызванное внутренним нагревом

Из уравнения (3) вызванное повышение внутренней температуры пульсаций тока определяется как:

DeltaT = …(4)
для (f=120 Гц)
где tan d и C измеряются при 120 Гц, а w представляет собой 2Pif

Из уравнения (4) повышение температуры пропорционально внутреннее сопротивление (R _ESR ) и обратно пропорциональна константе теплопередачи (b) и площади поверхности банки. Для увеличения допустимого пульсирующего тока конденсаторы должны иметь меньшее внутреннее сопротивление (R _ESR ), большую площадь поверхности (А) и большую константу теплопередачи (b).

Наконец, связь между температурой и сроком службы приблизительно удовлетворяет следующему уравнению:

Где:
л ₁ = значительный срок службы при температуре T ₁
L ₂ = Срок службы при температуре T ₂
T ₁ = Максимальная номинальная рабочая температура
T ₂ = Температура окружающей среды
A = Коэффициент ускорения из-за температура окружающей среды
DeltaT ₁ = Допустимое изменение температуры ядра из-за пульсаций тока при номинальной температуре
DeltaT ₂ = Фактическое изменение температуры ядра из-за пульсаций тока в рабочих условиях
K = Коэффициент ускорения из-за приложенного пульсаций тока

Когда T ₂ меньше, чем T ₁ , обычно наблюдается, что:

A ~= 2 (Этот коэффициент ускорения немного меняется в зависимости от серии продукта. )

Коэффициент ускорения K меняется в зависимости от изменения температуры из-за пульсации тока и серии продукта.

K ~= 5 ~ 10

Например, при A = 2, K = 5 (тип.), T ₁ = 105°C, T ₂ = 65°C, DT ₁ = 5° C и DT ₂ = 20°C в уравнении (1) увеличивают срок службы в 2 раза. Чем ниже рабочая температура, тем дольше ожидаемый срок службы. Для увеличения срока службы рекомендуется использовать изделия с более высокой максимально допустимой рабочей температурой.

Пульсирующий ток, протекающий через конденсатор, состоит из тока зарядки и тока разрядки. При протекании разрядного тока через конденсатор ток течет к анодному электроду от катодного электрода, так что, в принципе, на катодном электроде мог образоваться оксидный слой. Однако на практике этому препятствует подходящая конструкция конденсатора и выбор катодной фольги. На рис. 16 показаны некоторые примеры того, как пульсирующий ток влияет на увеличение ESR во время испытания на срок службы.

Рисунок 16. Изменение ESR при испытании на срок службы с пульсирующим током при 85°C

Максимально допустимые пульсирующие токи (RMS) обычно указываются при частоте 120 Гц (синусоидальная волна). Поскольку внутреннее сопротивление (R _ESR ) зависит от частоты, максимально допустимый пульсирующий ток зависит от частоты. (См. Таблицу 3.)

Таблица 3. Множитель пульсаций тока для частоты
(типичные значения для WV <= 100)

Номинальная емкость (мкФ)	Частота (Гц)
	50/60	100/120	300	1К	10К	50К
4,7 или ниже	0,65	1,00	1,35	1,75	2,30	2,50
от 10 до 47	0,75	1,00	1,25	1,50	1,75	1,80
от 100 до 1000	0,80	1,00	1,15	1,30	1,40	1,50

Чрезмерные пульсирующие токи сокращают срок службы конденсаторов.