Tuổi thọ ở nhiệt độ phòng(năm)
4.14 Năng lượng cụ thể và công suất cụ thể
Số lượng năng lượng có thể được lưu trữ trong một tụ điện trên một khối lượng của tụ điện đó được gọi là năng lượng cụ thể của nó. Năng lượng cụ thể được đo trọng lượng (trên một đơn vị khối lượng) theo giờ Watt trên kilôgam (Wh / kg).
Số lượng năng lượng có thể được lưu trữ trong một tụ điện trên một thể tích của tụ điện đó được gọi là mật độ năng lượng của nó. Mật độ năng lượng được đo theo thể tích (trên đơn vị khối lượng) tính theo giờ Watt trên lít (Wh / l).
Vào năm 2013 năng lượng thương mại cụ thể khoảng từ 0,5 đến 15 Wh / kg. Để so sánh, một tụ điện điện phân bằng nhơm thường có dung lượng từ 0,01 đến 0,3 Wh / kg, trong khi pin chì-axít thơng thường dự trữ khoảng 30 đến 40 Wh / kg và pin lithium-ion hiện đại từ 100 đến 265 Wh / kg. Do đó, các tụ điện siêu cao có thể lưu trữ năng lượng từ 10 đến 100 lần so với tụ điện, nhưng chỉ bằng 1/10 so với pin. Để tham khảo, nhiên liệu xăng có năng lượng cụ thể là 44,4 MJ / kg hoặc 12300 Wh / kg (trong động cơ đẩy , cần phải tính đến hiệu quả của việc chuyển đổi năng lượng dẫn đến 3700 Wh / kg xem xét hiệu suất động cơ đốt trong 30% điển hình).
Mật độ năng lượng thương mại (cịn gọi là năng lượng thể tích cụ thể trong một số tài liệu) thay đổi rất nhiều nhưng nhìn chung khoảng từ 5 đến 8 Wh / l. Đơn vị lít và dm3 có thể được sử dụng hốn đổi cho nhau. Để so sánh, nhiên liệu xăng có mật độ năng lượng là 32,4 MJ / l.
Mặc dù năng lượng cụ thể của các tụ siêu tụ điện không đủ so với pin, các tụ điện có lợi thế quan trọng của cơng suất cụ thể. Công suất cụ thể mô tả tốc độ mà năng lượng có thể được chuyển đến / hấp thu từ tải. Công suất tối đa được cho bởi công thức:
với điện áp V = áp và Ri, điện trở DC nội bộ của tụ điện. Công suất cụ thể được đo bằng trọng lượng bằng kiloWatt trên kilôgam (kW / kg, công suất cụ thể) hoặc theo thể tích trong kiloWatt trên một lít (kW / l, mật độ cơng suất).
Cơng suất tối đa được mô tả của Pmax xác định sức mạnh của đỉnh lý thuyết hình chữ nhật đơn cực đại hiện tại của một điện áp nhất định. Trong mạch thực, đỉnh hiện tại khơng phải là hình chữ nhật và điện áp nhỏ hơn, gây ra bởi sự giảm điện áp. IEC 62391-2 thiết lập một hiệu quả hơn thực tế quyền lực Peff cho siêu tụ điện cho các ứng dụng điện:
Công suất riêng của tụ điện siêu cao thường lớn hơn 10 đến 100 lần so với pin và có thể đạt đến giá trị lên tới 15 kW / kg. Biểu đồ của Ragone liên quan đến năng lượng cho năng lượng và là một cơng cụ có giá trị để mơ tả và hình dung các thành phần lưu trữ năng lượng. Với một sơ đồ như vậy, vị trí của năng lượng và năng lượng cụ thể của các công nghệ lưu trữ khác nhau rất dễ so sánh, xem sơ đồ.
4.15 Tuổi thọ
Hình 4.14 Thời gian tồn tại của các tụ siêu tụ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ tụ điện
và điện áp được áp dụng
Vì các tụ siêu tụ điện khơng dựa vào sự thay đổi hóa học của các điện cực (trừ các điện cực polymer), thì thời gian sống phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ bay hơi của chất lỏng điện phân. Bốc hơi nói chung là một chức năng của nhiệt độ, tải hiện tại, tần số chu kỳ hiện tại và điện áp. Tần số tải và chu kỳ hiện tại tạo ra nhiệt nội bộ, do đó nhiệt độ xác định bốc hơi là tổng của nhiệt xung quanh và bên trong. Nhiệt độ này được đo bằng nhiệt độ lõi ở giữa của tụ điện. Nhiệt độ lõi càng cao càng làm bay hơi càng nhanh và tuổi thọ càng ngắn.
Sự bốc hơi nói chung làm giảm điện dung và tăng sức đề kháng nội bộ. Theo IEC / EN 62391-2 giảm điện dung trên 30% hoặc kháng nội bộ vượt quá bốn lần so với thông số kỹ thuật của bảng dữ liệu được coi là "hỏng hao do mịn", có nghĩa là bộ phận đã hết hạn sử dụng. Các tụ điện hoạt động, nhưng với khả năng giảm. Cho dù sự sai lệch của các thơng số có bất kỳ ảnh hưởng đến các chức năng thích hợp hay khơng phụ thuộc vào việc áp dụng các tụ điện.
Những thay đổi lớn về các thông số điện xác định trong IEC / EN 62391-2 thường không được chấp nhận đối với các ứng dụng tải trọng cao. Các thành phần hỗ trợ tải cao hiện nay sử dụng nhiều giới hạn nhỏ hơn, ví dụ, mất điện dung 20% hoặc gấp đơi điện trở nội bộ. Định nghĩa hẹp là quan trọng đối với các ứng dụng như vậy, vì nhiệt tăng tuyến tính với gia tăng điện trở nội bộ và không nên vượt quá nhiệt độ tối đa. Nhiệt độ cao hơn quy định có thể phá huỷ tụ điện.
Thời gian sử dụng thực của các tụ siêu tụ điện, còn được gọi là "tuổi thọ có thể đạt từ 10 đến 15 năm hoặc nhiều hơn ở nhiệt độ phòng. Những khoảng thời gian dài như vậy không thể được các nhà sản xuất thử nghiệm. Do đó, chúng xác định tuổi thọ của tụ điện dự kiến ở nhiệt độ và điều kiện điện áp tối đa. Các kết quả được chỉ ra trong bảng dữ liệu sử dụng ký hiệu "kiểm tra thời gian (giờ) / nhiệt độ tối đa (° C)", chẳng hạn như "5000 h / 65 ° C". Với giá trị này và các biểu thức bắt nguồn từ dữ liệu lịch sử, thời gian sống có thể được ước lượng cho điều kiện nhiệt độ thấp hơn. Thông số kỹ thuật về thời gian Datasheet được các nhà sản xuất thử nghiệm bằng cách sử dụng thử nghiệm độ bền nhanh được gọi là "kiểm tra độ bền" với nhiệt độ và điện áp tối đa trong một thời gian nhất định. Đối với chính sách sản phẩm "khơng
khiếm khuyết" trong quá trình thử nghiệm này, khơng có sự mài mịn hoặc tồn bộ sự cố có thể xảy ra.
Các đặc điểm kỹ thuật đời từ Datasheets có thể được sử dụng để ước tính tuổi thọ dự kiến cho một thiết kế nhất định. Các quy tắc 10-độ được sử dụng cho các tụ điện điện phân với chất lỏng không rắn được sử dụng trong những ước tính và có thể được sử dụng cho siêu tụ. Quy tắc này sử dụng phương trình Arrhenius, một cơng thức đơn giản cho sự phụ thuộc nhiệt độ của các tỷ lệ phản ứng. Đối với mỗi 10 ° C giảm nhiệt độ hoạt động, cuộc sống ước tính tăng gấp đơi.
Với • Lx = tuổi thọ ước tính
• L0 = Tuổi thọ • T0 = nhiệt độ tụ điện trên
• Tx = nhiệt độ hoạt động thực tế của pin tụ điện Tính với cơng thức này, các tụ điện được chỉ định với 5000 giờ ở 65 ° C, có tuổi thọ ước tính là 20.000 giờ ở 45 ° C.
Tuổi thọ cũng phụ thuộc vào điện áp hoạt động vì sự phát triển của khí trong chất lỏng điện giải phụ thuộc vào điện áp. Điện áp càng thấp, sự phát triển khí càng nhỏ và tuổi thọ càng dài. Khơng có cơng thức chung liên quan đến điện áp để đời. Các đường cong điện áp phụ thuộc từ hình ảnh là một kết quả thực nghiệm từ một nhà sản xuất.
Tuổi thọ của các ứng dụng năng lượng cũng có thể bị giới hạn bởi tải hiện tại hoặc số chu kỳ. Giới hạn này phải được xác định bởi nhà sản xuất có liên quan và phụ thuộc mạnh mẽ vào loại.