【導讀】由于能夠長時間存儲大量電能，超級電容表現(xiàn)得更像是電池而不是一個標準電容。在本文的一些案例上，超級電容已經(jīng)可以代替給這些產(chǎn)品供電的電池。從計算機、數(shù)碼相機、手機到其它手持設備，超級電容將一步步替代眾多產(chǎn)品中的可充電電池嗎？
超級電容以前主要用于大功率電源和大型工業(yè)與消費類電源設備，如今在各種尺寸的產(chǎn)品、特別是便攜式設備中也找到了用武之地。超級電容以高達數(shù)千法拉的電容值和快速充放電速率而聞名于世。
由于能夠長時間存儲大量的電能，超級電容表現(xiàn)得更像是電池而不是一個標準電容。事實上，隨著技術(shù)的進步，它們將替代眾多產(chǎn)品中的可充電電池，從計算機、數(shù)碼相機、手機到其它手持設備。
什么是超級電容？超級電容簡介
簡單地說，超級電容是一種非常大的極化電解質(zhì)電容。這里的‘大’指的是容量，而不是它們的物理尺寸。
的確，對于普通的電解電容來說，電容值和/或電壓值越大，整個封裝也越大。電解電容通常提供微法拉數(shù)量級的電容值，從約0.1uF到約1F，其電壓標稱值最高可達1kVdc。一般來說，額定電壓越高，電容值就越小，而電容值越大，封裝也就越大，而且工作電壓也可能會降低。
這些規(guī)則基本上也適用于超級電容。超級電容的容值在1F以上，工作電壓范圍從1.5V到160V甚至更高。隨著電容值和電壓增加，其體積也會增加。
電容值在數(shù)十法拉左右的早期超級電容是個大塊頭，主要用于大型電源設備。具有低電壓工作能力的小體積超級電容則常用作消費電子設備中的短期備用電源。
盡管超級電容和電解電容存在很大的相似性，但在電氣性能和物理尺寸方面也有很大的差異。例如，一個普通的10uF、25Vdc額定電壓電解電容尺寸可能略小于甚至等同于1F到10F、2.7Vdc的超級電容。隨著最近技術(shù)的進步，將超級電容的工作電壓提高到25Vdc時，尺寸增加不到一倍，根據(jù)具體應用場合，這樣的體積變化可能并不十分顯著。
剖析超級電容的結(jié)構(gòu)
原則上講，人們可以將超級電容看作是一個可充電電池。它能存儲與其容量成正比的電荷，并在要求放電時釋放電荷。超級電容與電解電容的最大區(qū)別是其電子雙層架構(gòu)，它能實現(xiàn)更高的容量。
標準電容的結(jié)構(gòu)是在兩個附屬于金屬板上的電極之間夾一層電介質(zhì)層(圖1)。根據(jù)電容類型不同，電介質(zhì)可以是氧化鋁、四氧化鉭、氧化鈦鋇或聚丙烯聚酯，不同的材料決定了不同的容量和電壓特性(圖2)。電介質(zhì)的多少和極板間的距離也會影響電容量。然而，極板間最大允許距離限制了電介質(zhì)的數(shù)量。
在這種單層結(jié)構(gòu)中，增加電介質(zhì)數(shù)量來提高容量通常是可行的，方法有三種，即增加封裝寬度和極板尺寸、增加封裝長度和增加極板距離或這兩種方法的組合。這三種方法都將導致電容器的體積變大，這是增加電容容量必須做出的一種犧牲。
雙電層電容器(EDLC)正如它的字面意義那樣可以解決上述問題，它在相同的封裝內(nèi)增加了第二個電介層，這個電介層與第一層在中間隔離物的兩邊并行工作(圖3)。EDLC也采用無孔電介質(zhì)，如活性碳、碳納米管、炭黑凝膠，并選用導電聚合物，其存儲容量要比標準的電解材料高出許多。額外層和更高效電介材料的這種組合能使電容容量提高近4個數(shù)量級。
不過，電壓能力是超級電容的薄弱環(huán)節(jié)，根源在于電介質(zhì)材料。EDLC中的電介質(zhì)特別薄，只有納米數(shù)量級，因此能產(chǎn)生很大的表面積，從而形成更大的容量。但這些很薄的層不具有傳統(tǒng)電介質(zhì)理想的絕緣特性，因此要求較低的工作電壓。
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超級電容應用
與標準電容和電池相比，EDLC的多個優(yōu)點使得它們能成為理想的替代品。這些優(yōu)點包括：與可重復充電電池相比充放電次數(shù)更多，實際效率高達98%，更低的內(nèi)部電阻，大輸出功率，更好的熱性能，與電池和標準電容相比有更好的安全余量。
與所有類型的電池不同，EDLC沒有特殊的處理要求，因此在整個生命周期內(nèi)都具有環(huán)境友好特性。以前又大又笨重的超級電容現(xiàn)在已經(jīng)有了各種尺寸的產(chǎn)品，可以適合任何應用以及幾乎任何預算。
針對便攜式設備的超級電容
如前所述，大電容值的超級電容在物理尺寸方面不再是一個障礙。5F以上的超級電容已經(jīng)開始應用于許多便攜式和手持式產(chǎn)品。在一些案例中，這些元件甚至可以代替給這些產(chǎn)品供電的電池。
Tecate Group推出了具有多樣配置的多種PowerBurst品牌超級電容器。針對通用的脈沖電源、混合電池和便攜式產(chǎn)品應用，徑向引線的TPL和徑向折彎的TPLS系列雙層電容器分別具有0.5F到70F和100F到400F的容量(圖4)。這兩類器件的電壓額定值都是2.7V，工作溫度范圍是-40℃到65℃。TPL和TPLS系列的最大高度分別是45mm(100F)和60mm(400F)。
CAP-XX公司專門針對便攜式市場推出了GS/GW系列單節(jié)和雙節(jié)超級電容器(圖5)。這些電容提供了電能有限的電池的替代品，壽命非常長，單節(jié)配置電壓為2.3V，串聯(lián)連接的雙節(jié)電容器電壓可達4.5V。
這兩種電容的工作溫度范圍都是-40℃到75℃。GW系列產(chǎn)品的外形尺寸為28.5x17mm，電壓4.5V時的電容量最高為0.4F，等效串聯(lián)電阻(ESR)低于60 mΩ。GS系列產(chǎn)品的外形尺寸為39x17mm，電壓4.5V的電容量可達0.7F，ESR低至34 mΩ。
同樣針對緊湊空間設計但可耐更高溫度的CAP-XX公司HS和HW系列電容器具有很薄的外殼，工作溫度范圍是-40℃到85℃(圖6)。在4.5到5.5V電壓范圍內(nèi)，HW的尺寸為28.5x17mm。在5.5V電壓時的電容量可達0.4F，ESR在5.5V時可低至100 mΩ。
這些元件的厚度范圍從0.9mm到2.9mm不等。電容量可達0.7F的HS系列外形尺寸為39mmx17mm，厚度范圍同樣為0.9mm到2.9mm，最小ESR為55 mΩ。這兩個系列的超級電容可以處理高達20A的脈沖電流，額定的RMS電流為4A。
Kanthal Globar公司的Maxcap雙層電容器可以用來代替作為存儲器后備電源的電池，具有超過5.5 F/in.3的容積效率、無限的服務壽命、快速充放電能力和非常低的漏電流等特性(圖7)。Kanthal Globar公司還表示，這些電容比電池更安全，在短路時不會爆炸，也不會損壞。這些電容器是非極化器件，不需要限流電阻或過壓保護，因而可以消除裝配錯誤和相關(guān)的成本。
Maxcap電容有徑向引線(LP、LC、LK、LT、LF、LV、LX和LJ系列)和表面貼裝(LM系列)兩大類。額定電壓為3.5V或5.5V，電容值范圍從0.01F到5F和0.47F到1F與5.6F，具體取決于額定電壓值。電路板上還有一種5F/11V的封裝。工作溫度范圍有兩種，一種是從-40℃到85℃，一種是-25℃到70℃。另外，所有的Maxcap都是小尺寸元件，可在遠端部署，并且不要求接入端口。
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針對大型設備的超級電容
雖然看起來似乎所有電子設計都在縮小尺寸，設計師在拚命地爭奪每納米空間，但仍有許多領域微型化既不可能也沒必要，包括汽車和運輸、再生能源、軍用和航空。在這些領域，通常采用更大尺寸的超級電容。
Maxwell Technologies公司推出的突破性BOOSTCAP產(chǎn)品設定了事實上的標準，基于其私有電極技術(shù)的產(chǎn)品可提供單節(jié)和多節(jié)模塊化配置。
模塊化BOOSTCAP配置由涵蓋14個模塊的BPAK和BMOD系列組成(圖8)。根據(jù)具體的應用，用戶可以從下列電容值/工作電壓組合中選取合適的產(chǎn)品：15Vdc下有20、23、52和58F;16.2Vdc下有110、250或500F;48.6Vdc下有165F;75Vdc下有94F;125Vdc下有63F。這些模塊的外形尺寸也不等，從約178x52x32mm到超過515x263x211mm。目標應用包括工業(yè)、汽車和消費類市場。
Maxwell Technologies公司還有許多大型的具有很高容量的BOOSTCAP品牌單節(jié)電容器，不過工作電壓比較低。BCAP系列共5節(jié)，在2.7Vdc的工作電壓下電容值可達650、1200、11500、2000和3000F(圖9)。這些電容的主要用途是與電池并行工作，適合要求恒定低功率放電以及峰值負載下提供脈沖功率的應用。
Evans Capacitor公司的3STHQ3和3PTHQ3電容組器件則主要用于任務繁重的軍事應用，它將公司的三個THQ3混合電容集成進了一個陽極電鍍、環(huán)氧密封的鋁殼中，整個尺寸為4.47×1.59×1.09英寸(圖10)。針對更高的工作電壓，3STHQ3組可以串聯(lián)電容的方式提供以下四種產(chǎn)品：0.004 F/160 Vdc, 0.0028F/200Vdc, 0.0019F/250Vdc和0.0011F/300Vdc。
針對更大的容量，3PTHQ3組器件可以并聯(lián)電容的方式提供0.45F/10Vdc到0.01F/125Vdc范圍內(nèi)的產(chǎn)品。這兩種配置的工作溫度范圍都是從-55℃到85℃，包括所有必要的平衡電阻和走線。
針對大電流環(huán)境，德國制造商Wima提供了全系列的雙層圓柱形器件，其工作電流額定值高達400A，脈沖電流承受能力可達1400A。Wima公司的SuperCap C系列和R系列產(chǎn)品由電容值在110到600F范圍內(nèi)的2.7Vdc電容組成，它們的工作電流和脈沖電流額定值分別可達100A和800A。
最大和最強健的SuperCap MC系列則規(guī)定了14Vdc的工作電壓和400A的電流。該產(chǎn)品的重量為1.7公斤，長寬高尺寸為325x60x90mm，正負電極之間的距離是265mm，可承受高達1.4kA的脈沖電流。
其它參數(shù)包括110F±20%的電容量，內(nèi)部電阻為7mΩ，最大儲存能量為10kJ，工作溫度范圍是-30℃到65℃，工作壽命長達9萬小時。
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超級電容的未來
如前所述，超級電容有望代替眾多設備中的可充電電池。這種演進是合理的，特別是目前人們對綠色技術(shù)和高性價比替代能源非常渴求。
最近超級電容制造商CAP-XX和Perpetuum正在就能量收儲解決方案展開合作，目的是要成功創(chuàng)建無電池的無線傳感器狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。在去年6月份舉行的nanoPower論壇上演講的一個案例研究就介紹了Perpetuum的PGG17振動能量收儲微型發(fā)電機如何與CAP-XX的超級電容器配合實現(xiàn)無電池狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的。這些系統(tǒng)采集并在機器上顯示數(shù)據(jù)，目的是改善資產(chǎn)管理質(zhì)量。
據(jù)這兩家公司介紹，傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)需要人工的數(shù)據(jù)采集，或使用電池供電的無線傳感器。據(jù)他們宣稱，在與這些系統(tǒng)相關(guān)的惡劣環(huán)境中，電池可能只能用2到5年。顯而易見，在一個可能有數(shù)千個電池供電的無線傳感器節(jié)點的工廠中，更換和處理電池的成本將非常高。
在平時工作過程中，PMG17將無用的機械振動轉(zhuǎn)換成電能，可以提供0.5mW到50mW的穩(wěn)定電源。CAP-XX超級電容器儲存這些能量，然后提供在無線網(wǎng)絡(如IEEE802.15.4和802.11)上傳送傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)所需的峰值功率。
PMG17可以為間歇性無線傳感器系統(tǒng)(如無線HART、SP-100和Wi-Fi)提供必要的電能。然而，它的輸出阻抗太高，無法提供傳感器節(jié)點要求的10到100秒時間長的mW級功率。高容量和低ESR的超級電容器可以解決這個問題，它可以提供約1秒的峰值功率來傳送數(shù)據(jù)。
“微型發(fā)電機和超級電容組合消除了電池的可靠性問題和耗時的維護工作，可以極大地節(jié)省操作成本和能量使用。”Perpetuum公司的技術(shù)管理人員Stephen Roberts表示。
“無線系統(tǒng)制造商現(xiàn)在可以使用這種“安裝完就可遺忘的”自發(fā)電能源輕松地設計出無電池的系統(tǒng)。”CAP-XX公司應用技術(shù)副總裁Pierre Mars指出。
