【導(dǎo)讀】由于能夠長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)大量電能，超級(jí)電容表現(xiàn)得更像是電池而不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電容。在本文的一些案例上，超級(jí)電容已經(jīng)可以代替給這些產(chǎn)品供電的電池。從計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)到其它手持設(shè)備，超級(jí)電容將一步步替代眾多產(chǎn)品中的可充電電池嗎？
超級(jí)電容以前主要用于大功率電源和大型工業(yè)與消費(fèi)類電源設(shè)備，如今在各種尺寸的產(chǎn)品、特別是便攜式設(shè)備中也找到了用武之地。超級(jí)電容以高達(dá)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(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)大量的電能，超級(jí)電容表現(xiàn)得更像是電池而不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電容。事實(shí)上，隨著技術(shù)的進(jìn)步，它們將替代眾多產(chǎn)品中的可充電電池，從計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)到其它手持設(shè)備。
什么是超級(jí)電容？超級(jí)電容簡(jiǎn)介
簡(jiǎn)單地說，超級(jí)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(duì)于普通的電解電容來說，電容值和/或電壓值越大，整個(gè)封裝也越大。電解電容通常提供微法拉數(shù)量級(jí)的電容值，從約0.1uF到約1F，其電壓標(biāo)稱值最高可達(dá)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(huì)降低。
這些規(guī)則基本上也適用于超級(jí)電容。超級(jí)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(huì)增加。
電容值在數(shù)十法拉左右的早期超級(jí)電容是個(gè)大塊頭，主要用于大型電源設(shè)備。具有低電壓工作能力的小體積超級(jí)電容則常用作消費(fèi)電子設(shè)備中的短期備用電源。
盡管超級(jí)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(gè)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(jí)電容。隨著最近技術(shù)的進(jìn)步，將超級(jí)電容的工作電壓提高到25Vdc時(shí)，尺寸增加不到一倍，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合，這樣的體積變化可能并不十分顯著。
剖析超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)
原則上講，人們可以將超級(jí)電容看作是一個(gè)可充電電池。它能存儲(chǔ)與其容量成正比的電荷，并在要求放電時(shí)釋放電荷。超級(jí)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(shí)現(xiàn)更高的容量。
標(biāo)準(zhǔn)電容的結(jié)構(gòu)是在兩個(gè)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(huì)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(zhǎng)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(dǎo)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(gè)電介層，這個(gè)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(dǎo)電聚合物，其存儲(chǔ)容量要比標(biāo)準(zhǔn)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(gè)數(shù)量級(jí)。
不過，電壓能力是超級(jí)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(jí)，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(jí)電容應(yīng)用
與標(biāo)準(zhǔn)電容和電池相比，EDLC的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得它們能成為理想的替代品。這些優(yōu)點(diǎn)包括：與可重復(fù)充電電池相比充放電次數(shù)更多，實(shí)際效率高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jí)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(yīng)用以及幾乎任何預(yù)算。
針對(duì)便攜式設(shè)備的超級(jí)電容
如前所述，大電容值的超級(jí)電容在物理尺寸方面不再是一個(gè)障礙。5F以上的超級(jí)電容已經(jīng)開始應(yīng)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(jí)電容器。針對(duì)通用的脈沖電源、混合電池和便攜式產(chǎn)品應(yīng)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(duì)便攜式市場(chǎng)推出了GS/GW系列單節(jié)和雙節(jié)超級(jí)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(zhǎng)，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(dá)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(shí)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(dá)0.7F，ESR低至34 mΩ。
同樣針對(duì)緊湊空間設(shè)計(jì)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(shí)的電容量可達(dá)0.4F，ESR在5.5V時(shí)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(dá)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(gè)系列的超級(jí)電容可以處理高達(dá)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(chǔ)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(wù)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(shí)不會(huì)爆炸，也不會(huì)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(hù)，因而可以消除裝配錯(cuò)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(yuǎn)端部署，并且不要求接入端口。
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針對(duì)大型設(shè)備的超級(jí)電容
雖然看起來似乎所有電子設(shè)計(jì)都在縮小尺寸，設(shè)計(jì)師在拚命地爭(zhēng)奪每納米空間，但仍有許多領(lǐng)域微型化既不可能也沒必要，包括汽車和運(yùn)輸、再生能源、軍用和航空。在這些領(lǐng)域，通常采用更大尺寸的超級(jí)電容。
Maxwell Technologies公司推出的突破性BOOSTCAP產(chǎn)品設(shè)定了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)模塊的BPAK和BMOD系列組成(圖8)。根據(jù)具體的應(yīng)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(biāo)應(yīng)用包括工業(yè)、汽車和消費(fèi)類市場(chǎng)。
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(dá)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(fù)載下提供脈沖功率的應(yīng)用。
Evans Capacitor公司的3STHQ3和3PTHQ3電容組器件則主要用于任務(wù)繁重的軍事應(yīng)用，它將公司的三個(gè)THQ3混合電容集成進(jìn)了一個(gè)陽極電鍍、環(huán)氧密封的鋁殼中，整個(gè)尺寸為4.47×1.59×1.09英寸(圖10)。針對(duì)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(duì)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(duì)大電流環(huán)境，德國(guó)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(dá)400A，脈沖電流承受能力可達(dá)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(dá)100A和800A。
最大和最強(qiáng)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(zhǎng)寬高尺寸為325x60x90mm，正負(fù)電極之間的距離是265mm，可承受高達(dá)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(chǔ)存能量為10kJ，工作溫度范圍是-30℃到65℃，工作壽命長(zhǎng)達(dá)9萬小時(shí)。
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超級(jí)電容的未來
如前所述，超級(jí)電容有望代替眾多設(shè)備中的可充電電池。這種演進(jìn)是合理的，特別是目前人們對(duì)綠色技術(shù)和高性價(jià)比替代能源非常渴求。
最近超級(jí)電容制造商CAP-XX和Perpetuum正在就能量收儲(chǔ)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(gè)案例研究就介紹了Perpetuum的PGG17振動(dòng)能量收儲(chǔ)微型發(fā)電機(jī)如何與CAP-XX的超級(jí)電容器配合實(shí)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(jī)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(gè)可能有數(shù)千個(gè)電池供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工廠中，更換和處理電池的成本將非常高。
在平時(shí)工作過程中，PMG17將無用的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，可以提供0.5mW到50mW的穩(wěn)定電源。CAP-XX超級(jí)電容器儲(chǔ)存這些能量，然后提供在無線網(wǎng)絡(luò)(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(diǎn)要求的10到100秒時(shí)間長(zhǎng)的mW級(jí)功率。高容量和低ESR的超級(jí)電容器可以解決這個(gè)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(jī)和超級(jí)電容組合消除了電池的可靠性問題和耗時(shí)的維護(hù)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(shè)計(jì)出無電池的系統(tǒng)。”CAP-XX公司應(yīng)用技術(shù)副總裁Pierre Mars指出。
