超級(jí)電容技術(shù)正在形成瘦身電池設(shè)計(jì)

電池是一種方便、高密度的能量?jī)?chǔ)存。它們成為互聯(lián)無(wú)線和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的中流砥柱并非偶然。然而，電池有很多不喜歡的地方：

* 尺寸和形狀 – 圓柱形或紐扣電池具有笨重的外形，很難適應(yīng)消費(fèi)者喜歡的時(shí)尚和超薄設(shè)計(jì)。

* 總擁有成本高——當(dāng)電池完全放電或達(dá)到其循環(huán)壽命結(jié)束時(shí)，在工業(yè)或商業(yè)產(chǎn)品中更換電池需要技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)參加，每臺(tái)電池的費(fèi)用可能高達(dá) 200 美元。

* 破壞環(huán)境足跡 – 電池含有有害或有毒化學(xué)物質(zhì)。由于電池中的材料難以回收和回收，因此在使用壽命結(jié)束時(shí)進(jìn)行處置很困難。

* 面臨繁重的合規(guī)要求——各國(guó)政府對(duì)電池造成的環(huán)境危害采取了越來(lái)越激進(jìn)的立場(chǎng)，未來(lái)幾年對(duì)含有電池的產(chǎn)品的監(jiān)管環(huán)境似乎將變得更加敵對(duì)。

這些因素解釋了為什么小型互聯(lián)設(shè)備制造商正在尋求能量收集（通常是光伏電池）和超級(jí)電容器的組合，作為電池電源的更便宜、免維護(hù)的替代品。

評(píng)估超級(jí)大盤股

能量收集器與傳統(tǒng)的圓柱形超級(jí)電容一起消除了更換電池的高昂成本，并使 OEM 免于遵守嵌入式電池法規(guī)的義務(wù)。然而，這種方法在與電池相關(guān)的另外兩個(gè)問(wèn)題上存在不足：

* 傳統(tǒng)的超級(jí)電容體積龐大，與電池一樣限制了機(jī)械設(shè)計(jì)自由度。

* 傳統(tǒng)的超級(jí)電瓶含有有毒物質(zhì)和持久性“永久化學(xué)物質(zhì)”的破壞性混合物，并且難以回收。

化學(xué)和生產(chǎn)方面的創(chuàng)新促成了一種新型袋式超級(jí)帽的開發(fā)：完全無(wú)毒、完全可回收和超薄。這提供了設(shè)計(jì)自由度，并且尺寸也適合在智能卡中使用。袋式超級(jí)電容技術(shù)提供了一種綠色且節(jié)省空間的方式，可從新的智能設(shè)備設(shè)計(jì)中消除電池。

環(huán)境負(fù)擔(dān)

原始設(shè)備制造商避免使用電池的動(dòng)機(jī)越來(lái)越強(qiáng)烈。由于電池的制造量和最終的處置量不斷增加，電池的環(huán)境足跡問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。智能設(shè)備以及大多數(shù)無(wú)線和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要自主、無(wú)線電源;如今，電池是 OEM 的默認(rèn)選擇。

圖 1：Ligna Energy 超級(jí)電容器內(nèi)部的材料是生物基的

但這正在積累一個(gè)巨大的電子垃圾問(wèn)題。根據(jù)歐盟委員會(huì)的數(shù)據(jù)，2022 年，歐盟售出 244,000 噸便攜式電池。同年，只有111,000公噸廢舊便攜式電池被回收。

當(dāng)電池達(dá)到使用壽命并進(jìn)入廢物處理系統(tǒng)時(shí)，它們遠(yuǎn)非良性。大多數(shù)含有對(duì)人類和野生動(dòng)物有毒或有害的化學(xué)物質(zhì)，包括鋰、錳和鈷，以及重金屬和 PFAS（全氟烷基物質(zhì)和多氟烷基物質(zhì)）。電池生產(chǎn)過(guò)程中也存在使用壽命結(jié)束時(shí)的潛在危害。開采用于生產(chǎn)電池的材料本身往往會(huì)破壞環(huán)境，這些材料的用戶面臨違反要求避免使用沖突礦產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，難怪有遠(yuǎn)見的政府正在出臺(tái)旨在減少大規(guī)模生產(chǎn)和處置電池造成的危害的法規(guī)。

例如，歐盟最新的《電池法規(guī) 2023/1542》旨在確保“未來(lái)電池碳足跡低，有害物質(zhì)使用最少，需要更少的非歐盟國(guó)家原材料，并在歐洲得到高度收集、再利用和回收”。其他法規(guī)在世界各地的司法管轄區(qū)正在生效或正在考慮中。

隨著物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象的數(shù)量從數(shù)十億增加到數(shù)萬(wàn)億，電池問(wèn)題的規(guī)模將變得更糟。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的趨勢(shì)是變得越來(lái)越小、越來(lái)越薄，這使得保持鋰基電池的安全運(yùn)行和在設(shè)備使用壽命結(jié)束時(shí)回收材料變得更加困難。

產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)

以超級(jí)電容為儲(chǔ)能元件的能量收集系統(tǒng)，取代智能設(shè)備中的電池，提供“永久電力”，消除了更換放電電池的高額費(fèi)用。它還免除了原始設(shè)備制造商遵守電池法規(guī)的義務(wù)。

使用傳統(tǒng)的超級(jí)電容器留下了潛在環(huán)境危害的問(wèn)題。傳統(tǒng)的超級(jí)電容器通常含有重金屬和 PFAS。有些甚至使用鋰作為電極材料或電解液中的鋰鹽。

此外，標(biāo)準(zhǔn)外形是圓柱形的，直徑很大，限制了產(chǎn)品制造商創(chuàng)建輕量化和超薄設(shè)計(jì)的能力。以圓柱形外形尺寸提供的典型示例長(zhǎng) 8 毫米，直徑為 20.5 毫米。

這些尺寸允許將超級(jí)電容嵌入到電子貨架標(biāo)簽、資產(chǎn)跟蹤器、智能卡和智能恒溫器等產(chǎn)品中。

生物基材料

現(xiàn)在，通過(guò)制造技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和材料成分方面的創(chuàng)新相結(jié)合，已經(jīng)出現(xiàn)了嵌入式電池使用中固有的多重問(wèn)題的解決方案。Ligna Energy 的 S-Power 系列超級(jí)電容器是研究和開發(fā)的成果，旨在尋找傳統(tǒng)超級(jí)電容器的無(wú)毒、可回收和可持續(xù)的替代品。

如今，Ligna Energy S-Power 超級(jí)電容器中使用的所有材料都是完全安全無(wú)毒的，可以安全處置，不會(huì)對(duì)人類或野生動(dòng)物造成傷害。超級(jí)電容器與標(biāo)準(zhǔn)回收或處置方法兼容，包括粉碎或燃燒。

基于光伏電池和 S-Power 超級(jí)電容的能量收集系統(tǒng)的溫室氣體足跡遠(yuǎn)低于電池電源（見圖 1）。將基于 S-Power 2S 超級(jí)電容的電源和基于兩節(jié) AAA 電池的電池電源在主機(jī)產(chǎn)品的生命周期內(nèi)更換一次的光伏電池進(jìn)行比較，Ligna Energy 解決方案的估計(jì)碳足跡在 27 克至 49 克二氧化碳當(dāng)量之間，而對(duì)于 AAA 電池系統(tǒng)，則為 223 克二氧化碳當(dāng)量。