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(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)品中的充電電池，從計算機、數(shù)碼相機、手機到其它手持設(shè)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(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(shè)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(shè)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(yīng)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(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(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(dǎo)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。

　　3　超級電容應(yīng)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(fù)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(yīng)用以及幾乎任何預(yù)算。

　　4　針對便攜式設(shè)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(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品牌超級電容器。針對通用的脈沖電源、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。