EDLC超级电容器原理和特性

在电路设计时，电容器是不可或缺的一类无源元件。经过不断地技术演进，如今的电容器已经发展出多种类型，它们采用不同的材料和工艺，各具特点，在电路中扮演着储能、平滑、耦合、去耦等角色。在电容器这个大家族中，如果要论储能方面能力最强的，那肯定是“超级电容器”莫属了。

EDLC超级电容器原理和特性

超级电容器最常见的一种类型是EDLC双电层电容器，其之所以具有“超级”的储能能力，是因为采用了一种特殊的结构。

具体来讲，传统的电容器是由两个电极以及电极之间的电介质构成，而EDLC电容器中没有电介质，其结构中包括：固体的正电极和负电极、位于正负极之间的电解液，以及防止正负极之间接触短路的隔离层。当在EDLC电容器电极上施加电压时，电解液中的离子受到电极吸附作用，会在正负电极表面各形成一个能够存储电荷的电容结构——就像是两个串联在一起的电容——形成所谓的“双电层效应 （Electric Double Layer Effect）”，随着电解液中离子对电极表面的吸附和脱离，EDLC电容器也就完成了电容的充电和放电。

EDLC电容器“超级”储能的关键秘笈，主要在于其电极表面涂覆有比表面积非常大的活性炭，让电解液中的离子尽可能充满多孔的活性炭表面，以获得尽可能大的接触表面积，而由于电容器容量的大小与EDLC两个电极电气双层面积成正比，这就使得EDLC电容器能够在单位体积内提供极高的容值，远超其他类型的电容器。

图1：EDLC超级电容器结构和工作原理

（图源：TDK）

这样特殊的结构，为EDLC带来了诸多独特的优势特性：

静电容量大

这一点上文已经分析过，其静电容量及能量密度介于电容器和电池（二次电池）之间，因此EDLC超级电容器通常是作为储能元件来使用的。

图2：不同储能元件静电容量比较

（图源：TDK）

功率密度高

由于EDLC超级电容器没有电极活性物质的化学反应，因此与可充电电池相比，具有更高的功率密度（即单位体积的输出功率），可以快速充放电，更适合那些需要“瞬间发力”提供电能的应用。

图3：与电池相比EDLC超级电容器具有更高的功率密度

（图源：TDK）

使用寿命长

EDLC超级电容器的充放电，利用的是离子吸附脱离这种物理现象，整个过程中没有化学或电化学反应，因此其不易老化，充放电循环特性优异——循环使用次数甚至可达数十万次——这个特性是充电电池难以企及的。以TDK的EDLC超级电容器为例，在以5.5V的电压充电，反复进行20A-5ms放电和0.9A充电的充放电循环2万次后，电容器的电气特性基本没有发生明显的变化。

图4：EDLC超级电容器的耐充放电循环测试

（图源：TDK）

安全性更佳

构成EDLC超级电容器的主要材料是活性炭、铝、离子电解液，工作机理安全洁净，不会发生剧烈的化学反应，不存在起火、冒烟的危险，因此使用起来更安全。而且由于无需特殊的保护电路，EDLC超级电容器的应用电路设计也更简单。

根据上述的特性，我们可以为EDLC超级电容器圈定一个应用范围——这是一类兼具大容量和高功率密度的储能元件，具有在短时间内充放电的“爆发力”，因此可以作为特定电子产品的储能设备，也可以作为电池和电源的辅助设备来使用。

针对不同应用，人们开发出了不同类型的EDLC超级电容器产品，它们形态各异，储能的本领也不同，将超级电容器的优势带到了各个能量等级的应用场景中。

图5：不同类型EDLC超级电容器及其应用

（图源：TDK）

TDK的EDLC超级电容器组合

对于EDLC超级电容器如此重要的一条产品线，各个电容器大厂自然不会忽视。TDK也不例外，在其丰富的电容器产品组合中，也包括对EDLC超级电容市场的精细布局。

图6：TDK丰富的电容器产品组合

（图源：TDK）

从上图中可以看出，TDK的EDLC超级电容器产品的容量范围在5mF〜500mF之间，主要针对的是中低容量小型化电子设备，因此其在工艺上采用了金属箔层压薄膜，提供了小尺寸和薄型设计，非常节省空间。

图7：TDK的EDLC超级电容器产品特性

（图源：TDK）

在具备EDLC超级电容器大容量、安全性、长寿命这些固有特性的同时，TDK的EDLC超级电容器产品还通过设计和工艺上的优化，形成了不少自己特有的优势。

首先，TDK的EDLC超级电容器对电极和隔板、电解液进行优化，实现了低电阻的特性，而电阻低使得功率密度得以进一步提升。

其次，这些EDLC超级电容器在一个封装里包含了两个电容器，通过串联提高了额定电压（3.2V〜4.2V），因此在实际应用中，即使不提高电压，也能让电容器获得足够的能量。

再有，TDK的EDLC超级电容器采用了软包型的工艺，这种“轻薄”的设计非常有利于将其集成到各种应用中。

为了实现设计的小型化，TDK的EDLC超级电容器采用了卷回型和薄积层型两种不同的制造工艺：卷回型使用铝层叠薄膜，将电极和隔板同时卷起来，得到1个小“电池”，再封装2个这样的小“电池”；而薄层叠型则是将电极和隔板层叠在一起，使用不锈钢板层叠薄膜封装，具有高弯曲强度，可以应对屈曲、扭曲等应用要求的挑战。

图8：卷回型和薄积层型EDLC超级电容器

（图源：TDK）

EDLC超级电容器的典型应用

凭借上面这些优秀的特性，TDK的EDLC超级电容器产品在很多应用中都可以一展身手，这些应用主要分为三类，包括：电池辅助、电源备份和储能设备。下面我们就通过一些具体的用例进行详细的介绍。

电池辅助

EDLC超级电容器在电池辅助方面的应用场景主要有两种：一是当系统需要瞬间的峰值输出时，在电池的恒定输出之外提供高功率密度的输出，补充电池供电的不足，其典型应用如为LED闪光灯提供所需的瞬间高电能，以及为无线传感器短时间数据传输提供电能等；其另一种典型应用是当遇到高峰值负载时，提供能量支持，避免供电电压的不稳定并减轻电池的负荷，延长电池的使用寿命。

TDK的EDLC超级电容器产品一个经典的用例就是电子书阅读器页面切换时的电池辅助。要知道，电子书阅读器所用的“电子纸”屏幕静态下功耗极低，而在翻页操作时，则需要提供一个瞬间的大电流，以实现更流畅的画面切换和更快的显示速度。

如果让电池去支持这样的瞬间大电流，就需要更低电阻的电池，其尺寸也会变大，这显然对于产品的小型化、轻量化是不利的。而如果使用TDK的EDLC超级电容器作为电池辅助，提供瞬间大电流支持，其功率密度高、外形轻薄的特点，恰好可以完美地解决这一问题。

图9：EDLC超级电容器在电子纸电池辅助中的应用

（图源：TDK）

在电源辅助方面，另一个有趣的应用是在NFC智能卡上。大家知道，由于传统智能卡外形规格和使用场景的限制，其内部是没有电池的，智能卡内部电子系统工作所需电能是通过感应线圈从读卡器设备“隔空”取来的。而随着NFC智能卡应用的拓展，人们正在考虑将更多的功能置入其中，比如指纹识别或显示屏，这就需要更大的能量供应。

想要支持新一代NFC智能卡的这些新功能，在卡内置入电池是一个方案，但这会增加充电维护的复杂性；而如果采用EDLC超级电容器作为储能元件，则可以将NFC线圈电磁感应产生的电能瞬间充给EDLC电容器，在需要的时候，再将这些蓄积的电能用于指纹识别、屏幕显示等操作。

图10：新一代无电池NFC智能卡系统

（图源：TDK）

TDK开发的厚度仅为0.45mm的薄型EDLC超级电容器，就是满足这种“无电池”NFC智能卡设计的不二之选，纤薄的外形使其在内置于智能卡时毫无压力，而且其还具有出色的抗弯折及扭曲特性，可以很好地满足未来NFC智能卡在多功能性、易用性、耐久性等方面的设计要求。

电源备份

在电源备份应用中，EDLC超级电容器的作用主要是在电源断开时提供高输出的备份电源，支持设备继续完成数据备份等重要操作。

比如在企业级的SSD存储应用中，通常是采用NAND闪存作为存储器件，在写入数据时会暂时将数据保存在DRAM高速缓存中，然后将数据一起写入闪存以提高数据写入速度。而在意外断电时，就需要多个电容器提供断电保护，以确保缓存中的数据能写入NAND闪存。显然，如果让大容量的EDLC超级电容器扮演这种SSD失电保护的角色，既“高能”又安全，再合适不过了。

图11：EDLC超级电容器在SSD失电保护中的应用

（图源：TDK）

储能设备

静电容量大的特性，使得EDLC超级电容器可以在储能方面发挥特殊的作用，特别是在人们不断在新能源领域挖潜、节能减碳的大背景下，其作用就显得更重要了。

这方面EDLC超级电容器的应用可以细分为两类：一类是为太阳能等不稳定的新能源发电设备提供储能，以便在能源输入不稳定的情况下也能够确保负载供电的稳定性；另一类应用是作为能源收集技术的配套储能设备，将从环境中收集的能量转化而来的电能存储起来，供电子设备使用——为超低功耗的物联网设备供电，就是此类应用的一个重要方向。

举个例子，随着小型机器人的普及，TDK外形紧凑的EDLC超级电容器可以被集成在其中，有效地将电机运转剩余电力收集和储存起来，并为电池充电，既能保障能量输出的稳定性，也能够在需要大能量运行时提供能量辅助。

图12：EDLC超级电容器在小型电机系统中的储能应用

（图源：TDK）

本文小结

最后总结一下，作为一种比较“特殊”的电容器，EDLC超级电容器在静电容量、功率密度、使用寿命、安全性等方面确实具有异于其他储能设备的“超能力”，这也使得其在电池辅助、电源备份、储能等应用中成为无可替代的“超人”。

在EDLC超级电容器的技术版图中，TDK很巧妙地找到了自己着力点，聚焦在低容量、小型化的应用中，逐渐形成了品类完整、性能突出的产品组合，最终在诸如NFC智能卡等应用中确立了明显的优势，将“超级”的性能优势转化为“超级”的市场表现。　　

      审核编辑：彭静