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最近某款售价1200的“超级电容”充电宝电芯分析

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发表于 2022-9-19 09:33:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

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最近有一款某国产品牌的充电宝,号称是用了“超级电容”,可以“反复充电1万次”,但是目前主要在国外众筹/销售,某东上也有,售价大约1200,有点感兴趣,找了一下相关信息、拆解视频等。商家说这个用的是上海奥威科技的“超级电容”电芯。首先说一下结论,这个“超级电容”电芯不是很多人认为的“电双层超级电容EDLC”,而是“混合型锂离子电池电容”,或者简单地说叫做“锂离子超级电容”或“锂离子电容”。下面看一下网上找的电芯拆机图:

最近某款售价1200的“超级电容”充电宝电芯分析-1.jpg

电芯正面

最近某款售价1200的“超级电容”充电宝电芯分析-2.jpg

电芯底部

最近某款售价1200的“超级电容”充电宝电芯分析-3.jpg

电芯保护及均衡板

这个作者还对这个混合型锂离子电池电容电芯做了单电芯放电测试:

最近某款售价1200的“超级电容”充电宝电芯分析-4.jpg

单电芯放电曲线

外行看热闹,内行看门道。可以看到这个电芯的放电曲线,是近似线性的、类似电容的放电特性,没有明显的放电平台,而普通的锂离子电池会有明显的放电平台,因此他们用的这个东西确实不是纯纯的电池,而具有一定的电容特性。但是这个评测者可能为了给厂家保密等原因,对放电曲线图的电压和时间(或容量)坐标轴上的数值做了模糊“打码”处理。
但是,从没有被模糊处理的部分可以看到,单个混合型锂离子电池电容电芯以15A恒流放电,放出了3.16Ah的容量,10.6WH的能量。用放电能量除以放电容量,可以算出放电过程的能量平均电压为3.354V。因为能量型的混合型锂离子电池电容和普通的双电层超级电容不一样,15A放电,相当于5C倍率放电,因此放出的容量和能量会低于电芯实际可以储存的容量和能量。
在*****(充电宝的生产商)的国外众筹网站上,可以看到商家对所用的混合型锂离子电池电容电芯的详细描述:

最近某款售价1200的“超级电容”充电宝电芯分析-5.jpg

商家的宣传图中关于“超级电容”电芯的参数

可以看到商家标的型号是“UCK8000F”,但是去上海奥威的官网查看,他们并没有这个型号。奥威官网有的型号是UCK42V6800C、UCK42V9000、UCK42V14000C、UCK42V28000、UCK42V20000。对比各个型号的规格书,发现UCK42V6800C更符合他们所用的电芯,因为只有这款电芯的体积尺寸符合,而且是软包的一端引出正负极的封装形式,与拆机的截图相符合。接下来看一下这款电芯的规格:

最近某款售价1200的“超级电容”充电宝电芯分析-6.jpg

电芯规格书第一页

最近某款售价1200的“超级电容”充电宝电芯分析-7.jpg

电芯规格书第二页

可以看到这款电芯的内阻为3.5mΩ,和*****在国外众筹的宣传图的3mΩ基本符合。这款电芯标准充放电电流20A,20s内最大充放电电流45A,*****标的25A显然是在允许的充电电流范围内的。再看看容值,奥威标的是7200F,而*****他们标的电容容值是8000F,这是为什么呢?实际上,这是因为奥威官网标的7200F,是从4.0V放电到2.8V的等效电容,而*****标的8000F应该是从4.2V放电到2.5V的等效电容。那么这里就引出了一个有意思的事情了,奥威的这款混合型锂离子电池电容电芯,从4.0V放到2.8V,可以放出8.5Wh能量,可以循环5万次。从3.8V放到2.8V,可以放出5.5Wh能量,但是循环次数增加了10倍,可以循环50万次。也就是说,随着最高充电截止电压的提高,混合型锂离子电池电容的循环寿命会迅速降低,同样的2.8V放电截止电压,从3.8V开始放可以循环50万次,而从4.0V开始放只能循环5万次。而*****众筹宣传图上标的是储能12Wh,对应规格书的从4.2V放到2.5V的能量,最高电压比4.0V高了0.2V,最低电压比2.8V低了0.3V,如此高的充电截止电压和如此低的放电截止电压,恐怕会对这款混合型锂离子电池电容电芯的循环寿命有巨大的影响,是否能达到*****标称的1万次,都是一个疑问,恐怕只能达到一两千吧,但是这样比,和普通的三元锂的锂离子电池,甚至磷酸铁锂电池,还有什么优势呢?能量密度不高,循环次数也不高。
最后,还是说一下,混合型超级电容(锂离子电容/混合型锂离子电池电容/hybrid supercapacitor/lithium ion capacitor)和大众认为的普通的超级电容(电双层超级电容,EDLC),不是一样的东西。混合型超级电容的储能过程还是涉及到了化学反应的,而EDLC普通超级电容的储能过程是纯物理过程。因此,混合型超级电容的循环寿命、充放电倍率没有EDLC超级电容高,再加上*****他们的循环电压范围很可能是2.5V~4.2V,混合型锂离子电池电容尤其怕被充到过高的电压,4.2V已经超过了奥威的规格书上推荐的2.5V~4.0V的循环电压范围,因此实际循环寿命可能更低。最后,部分商家经常利用大众不懂混合型超级电容和普通的EDLC超级电容之间的区别,利用大众对EDLC超级电容的高循环寿命、高倍率充放电的认知,来做营销,混淆普通的纯物理储能的EDLC双电层超级电容与物理+化学双重储能机制的“混合型电池电容”/“锂离子电容”的概念,这样可以提高销售价格,获取较高的利润,有些虚假宣传了。
最后,推荐一篇文章《电化学电容器正名》,希望大家能理清这不同种类的超级电容之间的关系:
https://esst.cip.com.cn/CN/Y2020/V9/I4/1009
科技的发展是日新月异的,从最早期的电化学电容器研究至今已经有六十多年的时间,在这一过程中电化学电容器取得了非常迅速的进步。能量密度从不足1瓦时每公斤发展到现在混合电容器数十瓦时每公斤,寿命从最初的几万次寿命发展到现在双电层电容器的百万次循环寿命。目前学术界虽然对某些材料的电化学过程属于电池行为还是电容行为尚存在争议,但对电化学电容器的命名及分类已经日渐清晰,然而在产业界依然存在信息滞后、命名及分类混乱的现象,对电化学电容器的产品产业化发展以及标准制定造成了相当大的困扰。至今仍有不少技术人员介绍电化学电容器以偏概全,或者在标准制定过程中意图以单一标准涵盖所有类型的电化学电容器,比如在产业界的技术交流活动中多以超级电容器指代电化学电容器,提及超级电容器大多宣传“物理储能器件,百万次循环寿命”等双电层电容器的特性。在商业活动中冠以超级电容器的名字无可厚非,但这些商业化的名称渐渐影响到技术交流以及技术标准的制定,在目前的电化学电容器的团体标准、行业标准乃至国家标准的制定过程中,“超级电容器”“电池型电容器”等不专业的名字、商业化的名字屡见不鲜。双电层电容器的性能指标和测试方法与赝电容器、混合电容器存在较大的差别,在这些相关标准中,因为命名不专业,分类不标准,有的以双电层电容器以偏概全,导致很多标准的测试方法脱离实际,无法正确衡量产品性能,有的意图在单一标准中涵盖所有类型电化学电容器,导致标准内容冗长、含义不清。因此对电化学电容器的规范统一的命名和分类是产业界迫切需要解决的一个问题。
参考文献:
[1] 荆葛, 阮殿波. 电化学电容器正名[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(4): 1009-1014.

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