6.1. 干涸故障
干涸故障是开放的故障。干涸故障是由于内部电解液向外部蒸发引起的。蒸发是一点点发生的,要花费很长时间。要使超级电容工作,需要有最少量电解液。如果残留的电解液比最少量多,也不会对超级电容的性能产生影响。由于蒸发,小于最少量时,会引起离子不足,可以使用的电极面积将会减少。结果,容量急速下降、ESR增加,最终引起超级电容无法工作(图35)。干涸故障是开放的模式。
村田的超级电容为了使达到干涸故障的时间变长,设计成注入多余电解液。此外,贴装也是抑制干涸的设计(图36)。蒸发的速度和温度条件有关。换句话说,干涸故障到达时间也与温度条件有关。干涸故障到达时间请参照图37.
6.2.老化
老化劣化会使容量慢慢变小,使ESR增加(图38)。老化是由于内部水分和电解液发生电气化学反应引起的。电气化学反应在电极表面产生生成物,这个生成物引起超级电容的性能劣化(容量降低和ESR增加、图38)。劣化是由于水分一点点渗透到电容内部,慢慢发生的,所以不会突然发生故障(图38)。电气化学反应的量与温度、电压有关,水分渗透也与温度和电压有关。因此,老化速度与温度和电压有关。村田的超级电容对老化劣化具有优越的耐持久性(图16)。通过使用合适的材料和良好的防止水分渗透的贴装设计,抑制老化劣化速度。
DMT334R2S474M3DTA0在4.2 V / 70°C / 12,000时的试验结果和DMF3Z5R5H474M3DTA0在4.2 V / 40°C / 9,000时的试验结果如图39和图40所示,可观察老化劣化,初始状态时劣化的程度很大,慢慢收敛。
此外,关于老化劣化,我们准备了模拟工具。详见7.2。
6.3.充放电循环寿命
村田的超级电容具有优越的充放电循环负载耐性。这与电池和锂离子电容器(混合电容器)有所不同,因为引起大幅劣化的电气化学反应不会伴随着充放电。
充放电循环试验事例如图41所示。DMT334R2S474M3DTA0以0.5A電流充电至4.2V,保持3.5秒,之后以0.5A的电流放电至0V保持3.5秒。这种充放电循环可以循环100000次。如图41所示,循环负载后容量和ESR几乎没有劣化。
由于超级电容的自发热,会使长时间循环高速充放电时的劣化进一步严重,所以请务必注意,关于自发热请参照12.3。
6.4.膨胀
长时间使用超级电容,封装可能会发生膨胀,膨胀使流入内部的水分与电解液发生电气化学反应(劣化)。
DMT334R2S474M3DTA0在各种条件下,贴装膨胀和工作时间的关系事例如图42所示。在25℃和55℃的状态下时,5年后(44000小时后)几乎没有发生膨胀。另一方面,在70℃以上使用时,电压越高膨胀越厉害。
图43是DMF3Z5R5H474M3DTA0的事例。持续在40℃以下3.0V的状态下使用时,5年后(44000小时后)几乎没有膨胀。另一方面,持续在70℃以下4.2V以上状态下使用时,1000小时后产生1mm的膨胀。特别是DMF3Z5R5H474M3DTA0,发生了1.25mm以上的膨胀时,封装有可能损坏,所以请注意。(例:5V 60℃的状态下使用1,000小时后的膨胀是1.25mm)。
产品设计时,请将膨胀考虑在内进行设计。关于其他品名尽请咨询。
6.5.考虑可靠性时
超级电容使用时,需要考虑老化劣化和干涸故障。但是实际上这两个不会同时发生。干涸故障发生前,只会发生老化劣化(图44)。在使用温度条件下充分确认干涸时间时,请先确认图37的指标。接下来,为了充分确认使用电压和温度条件下的超级电容性能,请利用本公司的模拟工具(详请参考7.2)。