以假亂真的充電電池——超級電容

　　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，隨著技術的進步，它們將替代眾多產品中的充電電池，從計算機、數(shù)碼相機、手機到其它手持設備。

　　1　超級電容是什么？

　　簡單地說，超級電容是一種非常大的極化電解質電容。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。

　　2　剖析超級電容

　　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，它能實現(xiàn)更高的容量。

　　標準電容的結構是在兩個附屬于金屬板上的電極之間夾一層電介質層（圖1）。根據(jù)電容類型不同，電介質可以是氧化鋁、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的數(shù)量。

　　在這種單層結構中，增加電介質數(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，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)，根源在于電介質材料。EDLC中的電介質特別薄，只有納米數(shù)量級，因此能產生很大的表面積，從而形成更大的容量。但這些很薄的層不具有傳統(tǒng)電介質理想的絕緣特性，因此要求較低的工作電壓。

　　3　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)在已經有了各種尺寸的產品，可以適合任何應用以及幾乎任何預算。

　　4　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開始應用于許多便攜式和手持式產品。在一些案例中，這些元件甚至可以代替給這些產品供電的電池。

　　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。