超级电容技术正在形成瘦身电池设计

电池是一种方便、高密度的能量储存。它们成为互联无线和物联网设备的中流砥柱并非偶然。然而，电池有很多不喜欢的地方：

* 尺寸和形状 – 圆柱形或纽扣电池具有笨重的外形，很难适应消费者喜欢的时尚和超薄设计。

* 总拥有成本高——当电池完全放电或达到其循环寿命结束时，在工业或商业产品中更换电池需要技术人员现场参加，每台电池的费用可能高达 200 美元。

* 破坏环境足迹 – 电池含有有害或有毒化学物质。由于电池中的材料难以回收和回收，因此在使用寿命结束时进行处置很困难。

* 面临繁重的合规要求——各国政府对电池造成的环境危害采取了越来越激进的立场，未来几年对含有电池的产品的监管环境似乎将变得更加敌对。

这些因素解释了为什么小型互联设备制造商正在寻求能量收集（通常是光伏电池）和超级电容器的组合，作为电池电源的更便宜、免维护的替代品。

能量收集器与传统的圆柱形超级电容一起消除了更换电池的高昂成本，并使 OEM 免于遵守嵌入式电池法规的义务。然而，这种方法在与电池相关的另外两个问题上存在不足：

* 传统的超级电容体积庞大，与电池一样限制了机械设计自由度。

* 传统的超级电瓶含有有毒物质和持久性“永久化学物质”的破坏性混合物，并且难以回收。

化学和生产方面的创新促成了一种新型袋式超级帽的开发：完全无毒、完全可回收和超薄。这提供了设计自由度，并且尺寸也适合在智能卡中使用。袋式超级电容技术提供了一种绿色且节省空间的方式，可从新的智能设备设计中消除电池。

原始设备制造商避免使用电池的动机越来越强烈。由于电池的制造量和最终的处置量不断增加，电池的环境足迹问题变得越来越严重。智能设备以及大多数无线和物联网设备需要自主、无线电源;如今，电池是 OEM 的默认选择。

图 1：Ligna Energy 超级电容器内部的材料是生物基的

但这正在积累一个巨大的电子垃圾问题。根据欧盟委员会的数据，2022 年，欧盟售出 244,000 吨便携式电池。同年，只有111,000公吨废旧便携式电池被回收。

当电池达到使用寿命并进入废物处理系统时，它们远非良性。大多数含有对人类和野生动物有毒或有害的化学物质，包括锂、锰和钴，以及重金属和 PFAS（全氟烷基物质和多氟烷基物质）。电池生产过程中也存在使用寿命结束时的潜在危害。开采用于生产电池的材料本身往往会破坏环境，这些材料的用户面临违反要求避免使用冲突矿产的标准的风险。

因此，难怪有远见的政府正在出台旨在减少大规模生产和处置电池造成的危害的法规。

例如，欧盟最新的《电池法规 2023/1542》旨在确保“未来电池碳足迹低，有害物质使用最少，需要更少的非欧盟国家原材料，并在欧洲得到高度收集、再利用和回收”。其他法规在世界各地的司法管辖区正在生效或正在考虑中。

随着物联网对象的数量从数十亿增加到数万亿，电池问题的规模将变得更糟。物联网产品的趋势是变得越来越小、越来越薄，这使得保持锂基电池的安全运行和在设备使用寿命结束时回收材料变得更加困难。

以超级电容为储能元件的能量收集系统，取代智能设备中的电池，提供“永久电力”，消除了更换放电电池的高额费用。它还免除了原始设备制造商遵守电池法规的义务。

使用传统的超级电容器留下了潜在环境危害的问题。传统的超级电容器通常含有重金属和 PFAS。有些甚至使用锂作为电极材料或电解液中的锂盐。

此外，标准外形是圆柱形的，直径很大，限制了产品制造商创建轻量化和超薄设计的能力。以圆柱形外形尺寸提供的典型示例长 8 毫米，直径为 20.5 毫米。

这些尺寸允许将超级电容嵌入到电子货架标签、资产跟踪器、智能卡和智能恒温器等产品中。

现在，通过制造技术、产品设计和材料成分方面的创新相结合，已经出现了嵌入式电池使用中固有的多重问题的解决方案。Ligna Energy 的 S-Power 系列超级电容器是研究和开发的成果，旨在寻找传统超级电容器的无毒、可回收和可持续的替代品。

如今，Ligna Energy S-Power 超级电容器中使用的所有材料都是完全安全无毒的，可以安全处置，不会对人类或野生动物造成伤害。超级电容器与标准回收或处置方法兼容，包括粉碎或燃烧。

基于光伏电池和 S-Power 超级电容的能量收集系统的温室气体足迹远低于电池电源（见图 1）。将基于 S-Power 2S 超级电容的电源和基于两节 AAA 电池的电池电源在主机产品的生命周期内更换一次的光伏电池进行比较，Ligna Energy 解决方案的估计碳足迹在 27 克至 49 克二氧化碳当量之间，而对于 AAA 电池系统，则为 223 克二氧化碳当量。