【導讀】在電路設計時，電容器是不可或缺的一類無源元件。經過不斷地技術演進，如今的電容器已經發展出多種類型，它們采用不同的材料和工藝，各具特點，在電路中扮演著儲能、平滑、耦合、去耦等角色。在電容器這個大家族中，如果要論儲能方面能力最強的，那肯定是“超級電容器”莫屬了。
EDLC超級電容器原理和特性
超級電容器最常見的一種類型是EDLC雙電層電容器，其之所以具有“超級”的儲能能力，是因為采用了一種特殊的結構。
具體來講，傳統的電容器是由兩個電極以及電極之間的電介質構成，而EDLC電容器中沒有電介質，其結構中包括：固體的正電極和負電極、位于正負極之間的電解液，以及防止正負極之間接觸短路的隔離層。當在EDLC電容器電極上施加電壓時，電解液中的離子受到電極吸附作用，會在正負電極表面各形成一個能夠存儲電荷的電容結構——就像是兩個串聯在一起的電容——形成所謂的“雙電層效應 （Electric Double Layer Effect）”，隨著電解液中離子對電極表面的吸附和脫離，EDLC電容器也就完成了電容的充電和放電。
EDLC電容器“超級”儲能的關鍵秘笈，主要在于其電極表面涂覆有比表面積非常大的活性炭，讓電解液中的離子盡可能充滿多孔的活性炭表面，以獲得盡可能大的接觸表面積，而由于電容器容量的大小與EDLC兩個電極電氣雙層面積成正比，這就使得EDLC電容器能夠在單位體積內提供極高的容值，遠超其他類型的電容器。
圖1：EDLC超級電容器結構和工作原理
（圖源：TDK）
這樣特殊的結構，為EDLC帶來了諸多獨特的優勢特性：
靜電容量大
這一點上文已經分析過，其靜電容量及能量密度介于電容器和電池（二次電池）之間，因此EDLC超級電容器通常是作為儲能元件來使用的。
圖2：不同儲能元件靜電容量比較
（圖源：TDK）
功率密度高
由于EDLC超級電容器沒有電極活性物質的化學反應，因此與可充電電池相比，具有更高的功率密度（即單位體積的輸出功率），可以快速充放電，更適合那些需要“瞬間發力”提供電能的應用。
圖3：與電池相比EDLC超級電容器具有更高的功率密度
（圖源：TDK）
使用壽命長
EDLC超級電容器的充放電，利用的是離子吸附脫離這種物理現象，整個過程中沒有化學或電化學反應，因此其不易老化，充放電循環特性優異——循環使用次數甚至可達數十萬次——這個特性是充電電池難以企及的。以TDK的EDLC超級電容器為例，在以5.5V的電壓充電，反復進行20A-5ms放電和0.9A充電的充放電循環2萬次后，電容器的電氣特性基本沒有發生明顯的變化。
圖4：EDLC超級電容器的耐充放電循環測試
（圖源：TDK）
安全性更佳
構成EDLC超級電容器的主要材料是活性炭、鋁、離子電解液，工作機理安全潔凈，不會發生劇烈的化學反應，不存在起火、冒煙的危險，因此使用起來更安全。而且由于無需特殊的保護電路，EDLC超級電容器的應用電路設計也更簡單。
根據上述的特性，我們可以為EDLC超級電容器圈定一個應用范圍——這是一類兼具大容量和高功率密度的儲能元件，具有在短時間內充放電的“爆發力”，因此可以作為特定電子產品的儲能設備，也可以作為電池和電源的輔助設備來使用。
針對不同應用，人們開發出了不同類型的EDLC超級電容器產品，它們形態各異，儲能的本領也不同，將超級電容器的優勢帶到了各個能量等級的應用場景中。
圖5：不同類型EDLC超級電容器及其應用
（圖源：TDK）
TDK的EDLC超級電容器組合
對于EDLC超級電容器如此重要的一條產品線，各個電容器大廠自然不會忽視。TDK也不例外，在其豐富的電容器產品組合中，也包括對EDLC超級電容市場的精細布局。
圖6：TDK豐富的電容器產品組合
（圖源：TDK）
從上圖中可以看出，TDK的EDLC超級電容器產品的容量范圍在5mF?500mF之間，主要針對的是中低容量小型化電子設備，因此其在工藝上采用了金屬箔層壓薄膜，提供了小尺寸和薄型設計，非常節省空間。
圖7：TDK的EDLC超級電容器產品特性
（圖源：TDK）
在具備EDLC超級電容器大容量、安全性、長壽命這些固有特性的同時，TDK的EDLC超級電容器產品還通過設計和工藝上的優化，形成了不少自己特有的優勢。
首先，TDK的EDLC超級電容器對電極和隔板、電解液進行優化，實現了低電阻的特性，而電阻低使得功率密度得以進一步提升。
其次，這些EDLC超級電容器在一個封裝里包含了兩個電容器，通過串聯提高了額定電壓（3.2V?4.2V），因此在實際應用中，即使不提高電壓，也能讓電容器獲得足夠的能量。
再有，TDK的EDLC超級電容器采用了軟包型的工藝，這種“輕薄”的設計非常有利于將其集成到各種應用中。
為了實現設計的小型化，TDK的EDLC超級電容器采用了卷回型和薄積層型兩種不同的制造工藝：卷回型使用鋁層疊薄膜，將電極和隔板同時卷起來，得到1個小“電池”，再封裝2個這樣的小“電池”；而薄層疊型則是將電極和隔板層疊在一起，使用不銹鋼板層疊薄膜封裝，具有高彎曲強度，可以應對屈曲、扭曲等應用要求的挑戰。
圖8：卷回型和薄積層型EDLC超級電容器
（圖源：TDK）
EDLC超級電容器的典型應用
憑借上面這些優秀的特性，TDK的EDLC超級電容器產品在很多應用中都可以一展身手，這些應用主要分為三類，包括：電池輔助、電源備份和儲能設備。下面我們就通過一些具體的用例進行詳細的介紹。
電池輔助
EDLC超級電容器在電池輔助方面的應用場景主要有兩種：一是當系統需要瞬間的峰值輸出時，在電池的恒定輸出之外提供高功率密度的輸出，補充電池供電的不足，其典型應用如為LED閃光燈提供所需的瞬間高電能，以及為無線傳感器短時間數據傳輸提供電能等；其另一種典型應用是當遇到高峰值負載時，提供能量支持，避免供電電壓的不穩定并減輕電池的負荷，延長電池的使用壽命。
TDK的EDLC超級電容器產品一個經典的用例就是電子書閱讀器頁面切換時的電池輔助。要知道，電子書閱讀器所用的“電子紙”屏幕靜態下功耗極低，而在翻頁操作時，則需要提供一個瞬間的大電流，以實現更流暢的畫面切換和更快的顯示速度。
如果讓電池去支持這樣的瞬間大電流，就需要更低電阻的電池，其尺寸也會變大，這顯然對于產品的小型化、輕量化是不利的。而如果使用TDK的EDLC超級電容器作為電池輔助，提供瞬間大電流支持，其功率密度高、外形輕薄的特點，恰好可以完美地解決這一問題。
圖9：EDLC超級電容器在電子紙電池輔助中的應用
（圖源：TDK）
在電源輔助方面，另一個有趣的應用是在NFC智能卡上。大家知道，由于傳統智能卡外形規格和使用場景的限制，其內部是沒有電池的，智能卡內部電子系統工作所需電能是通過感應線圈從讀卡器設備“隔空”取來的。而隨著NFC智能卡應用的拓展，人們正在考慮將更多的功能置入其中，比如指紋識別或顯示屏，這就需要更大的能量供應。
想要支持新一代NFC智能卡的這些新功能，在卡內置入電池是一個方案，但這會增加充電維護的復雜性；而如果采用EDLC超級電容器作為儲能元件，則可以將NFC線圈電磁感應產生的電能瞬間充給EDLC電容器，在需要的時候，再將這些蓄積的電能用于指紋識別、屏幕顯示等操作。
圖10：新一代無電池NFC智能卡系統
（圖源：TDK）
TDK開發的厚度僅為0.45mm的薄型EDLC超級電容器，就是滿足這種“無電池”NFC智能卡設計的不二之選，纖薄的外形使其在內置于智能卡時毫無壓力，而且其還具有出色的抗彎折及扭曲特性，可以很好地滿足未來NFC智能卡在多功能性、易用性、耐久性等方面的設計要求。
電源備份
在電源備份應用中，EDLC超級電容器的作用主要是在電源斷開時提供高輸出的備份電源，支持設備繼續完成數據備份等重要操作。
比如在企業級的SSD存儲應用中，通常是采用NAND閃存作為存儲器件，在寫入數據時會暫時將數據保存在DRAM高速緩存中，然后將數據一起寫入閃存以提高數據寫入速度。而在意外斷電時，就需要多個電容器提供斷電保護，以確保緩存中的數據能寫入NAND閃存。顯然，如果讓大容量的EDLC超級電容器扮演這種SSD失電保護的角色，既“高能”又安全，再合適不過了。
圖11：EDLC超級電容器在SSD失電保護中的應用
（圖源：TDK）
儲能設備
靜電容量大的特性，使得EDLC超級電容器可以在儲能方面發揮特殊的作用，特別是在人們不斷在新能源領域挖潛、節能減碳的大背景下，其作用就顯得更重要了。
這方面EDLC超級電容器的應用可以細分為兩類：一類是為太陽能等不穩定的新能源發電設備提供儲能，以便在能源輸入不穩定的情況下也能夠確保負載供電的穩定性；另一類應用是作為能源收集技術的配套儲能設備，將從環境中收集的能量轉化而來的電能存儲起來，供電子設備使用——為超低功耗的物聯網設備供電，就是此類應用的一個重要方向。
舉個例子，隨著小型機器人的普及，TDK外形緊湊的EDLC超級電容器可以被集成在其中，有效地將電機運轉剩余電力收集和儲存起來，并為電池充電，既能保障能量輸出的穩定性，也能夠在需要大能量運行時提供能量輔助。
圖12：EDLC超級電容器在小型電機系統中的儲能應用
（圖源：TDK）
本文小結
最后總結一下，作為一種比較“特殊”的電容器，EDLC超級電容器在靜電容量、功率密度、使用壽命、安全性等方面確實具有異于其他儲能設備的“超能力”，這也使得其在電池輔助、電源備份、儲能等應用中成為無可替代的“超人”。
在EDLC超級電容器的技術版圖中，TDK很巧妙地找到了自己著力點，聚焦在低容量、小型化的應用中，逐漸形成了品類完整、性能突出的產品組合，最終在諸如NFC智能卡等應用中確立了明顯的優勢，將“超級”的性能優勢轉化為“超級”的市場表現。
來源：Mouser
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