混合超级电容器提供储能替代方案

可充电电池和超级电容器各有利弊，但将两种技术融合到单一结构中的混合设计可以克服各自的许多限制。

双电层电容器（EDLC）——通常被称为“超级电容器”，有时也被称为“超级电容器”——是一种了不起的无源储能元件。由于其多法拉的高电容和小尺寸，它提供了体积和重量的高密度能量存储。在一些遥感、物联网和能量收集应用中，超级电容器是可充电电池的替代品；在其他情况下，它们与电池一起使用，以克服那些基于电化学的能量存储组件的一些弱点。并不是说一个天生就比另一个好。相反，超级电容器和可充电电池（无论化学性质如何）各有其相对优势和劣势。应用程序的优先级决定了哪个最有意义，

除了选择一个或两个作为两个分立元件之外，还有另一种有趣的替代方法：混合超级电容器。这种储能装置不仅仅是一个可充电电池和一个超级电容器的明显联合包装。相反，它使用了一种独特的结构，其中单个组件同时是超级电容器和锂离子电池，图 1（有关更多详细信息，请参阅参考资料）。

图 1：这个混合超级电容器结构的顶层视图显示它不是一个超级电容器和一个共享单个两端封装的电池。

这些混合超级电容器的供应商包括太阳诱电（该公司称它们为锂离子超级电容器，这在技术上是完全正确的）、伊顿和 Maxwell Technologies， Inc.（现在是特斯拉的一部分）。

有许多张贴的表格提供了标准超级电容器和锂离子可充电电池之间的比较（表 1）。请记住，正如您所期望的那样，每个资源和供应商都有不同的观点，并且技术本身正在快速发展。

表 1：这比较了超级电容器与锂离子充电电池的顶级特性；根据信息来源和时间的不同，每个条目可能有不同的条目集。

尽管这些混合超级电容具有明显的优点，但总的来说，我对混合设备和结构的感觉总是很复杂。一方面，两种技术或材料的结合通常使我们能够在克服一些弱点的同时保留每种技术或材料的最佳方面。这不仅适用于电子产品：想想用钢筋加固的混凝土，或者用作最新一代飞机机身和附件的蒙皮的碳纤维增强聚合物 （CFRP）。

同时，这些组合有时也有新的缺点。例如，与单一用途的优化单元相比，多功能测试设备的规格可能有所降低或某些灵活性限制。广为人知的“瑞士军刀”就是一个非电动的例子：它的每一个单独的工具可能都“足够好”，但绝对不如专用工具；尽管如此，整体刀片/配件组合和包装带来了尺寸、重量和成本方面的优势。

对于混合超级电容，还有一个管理问题。锂离子可充电电池在充电和放电速率、库仑计数和温度（列举几个因素）的监督方面有其特定的需求——超级电容器也有自己的可比清单。那么，如何管理混合超级电容？这些策略是否会发生冲突，或者它们是否足够相似以至于单一方法可以适用于两端混合？

我想到了隧道二极管：尽管它具有吸引人的性能特征，但作为一个没有明显输入-输出-接地连接的双终端设备，实际使用起来相当困难，因此不受欢迎；PIN 二极管也是如此（只要看看它的一些应用电路原理图）。也许像最近推出的 Maxim MAX38889 这样的 IC 是一款针对超级电容备用应用进行优化的 2.5V 至 5.5V、3A 可逆降压/升压稳压器，它们对两者都适用吗？（图2）

图 2：MAX38889 专门针对超级电容器管理；电路中也可能有电池。

对于给定的问题，决定是否使用混合解决方案通常涉及权衡难以评估的权衡。除了每个组分克服另一个组分的一个或多个短路的明显优点之外，还存在引入新的弱点的许多情况。

使用超级电容混合动力车有意义吗？答案很简单：视情况而定。在某些情况下，新的缺点在应用中是不可接受的，而在另一些情况下，新的优点大于缺点。从数量上讲，模型不仅必须解决等式“是1+1《，=，还是》2？”，而且还必须评估解决方案产生的任何差距。您在混合（组合或合并）解决方案（而不仅仅是混合超级电容）方面的经验如何？整体收益是否比任何额外的不利因素更重要？您如何判断混合方法的优缺点之间的平衡？

审核编辑：郭婷