超级电容原理及前景

　　超级电容是什么?

　　简单地说，超级电容是一种非常大的极化电解质电容。这里的‘大’指的是容量，而不是它们的物理尺寸。

　　的确，对于普通的电解电容来说，电容值和/或电压值越大，整个封装也越大。电解电容通常提供微法拉数量级的电容值，从约0.1uF到约1F，其电压标称值最高可达1kVdc。一般来说，额定电压越高，电容值就越小，而电容值越大，封装也就越大，而且工作电压也可能会降低。

　　这些规则基本上也适用于超级电容。超级电容的容值在1F以上，工作电压范围从1.5V到160V甚至更高。随着电容值和电压增加，其体积也会增加。

　　电容值在数十法拉左右的早期超级电容是个大块头，主要用于大型电源设备。具有低电压工作能力的小体积超级电容则常用作消费电子设备中的短期备用电源。

　　尽管超级电容和电解电容存在很大的相似性，但在电气性能和物理尺寸方面也有很大的差异。例如，一个普通的10uF、25Vdc额定电压电解电容尺寸可能略小于甚至等同于1F到10F、2.7Vdc的超级电容。随着最近技术的进步，将超级电容的工作电压提高到25Vdc时，尺寸增加不到一倍，根据具体应用场合，这样的体积变化可能并不十分显著。

　　剖析超级电容

　　原则上讲，人们可以将超级电容看作是一个可充电电池。它能存储与其容量成正比的电荷，并在要求放电时释放电荷。超级电容与电解电容的最大区别是其电子双层架构，它能实现更高的容量。

　　

 

　　标准电容的结构是在两个附属于金属板上的电极之间夹一层电介质层(图1)。根据电容类型不同，电介质可以是氧化铝、四氧化钽、氧化钛钡或聚丙烯聚酯，不同的材料决定了不同的容量和电压特性(图2)。电介质的多少和极板间的距离也会影响电容量。然而，极板间最大允许距离限制了电介质的数量。

　　

 

　　在这种单层结构中，增加电介质数量来提高容量通常是可行的，方法有三种，即增加封装宽度和极板尺寸、增加封装长度和增加极板距离或这两种方法的组合。这三种方法都将导致电容器的体积变大，这是增加电容容量必须做出的一种牺牲。

　　双电层电容器(EDLC)正如它的字面意义那样可以解决上述问题，它在相同的封装内增加了第二个电介层，这个电介层与第一层在中间隔离物的两边并行工作(图3)。EDLC也采用无孔电介质，如活性碳、碳纳米管、炭黑凝胶，并选用导电聚合物，其存储容量要比标准的电解材料高出许多。额外层和更高效电介材料的这种组合能使电容容量提高近4个数量级。

　　

 

　　不过，电压能力是超级电容的薄弱环节，根源在于电介质材料。EDLC中的电介质特别薄，只有纳米数量级，因此能产生很大的表面积，从而形成更大的容量。但这些很薄的层不具有传统电介质理想的绝缘特性，因此要求较低的工作电压。

　　超级电容应用

　　与标准电容和电池相比，EDLC的多个优点使得它们能成为理想的替代品。这些优点包括：与可重复充电电池相比充放电次数更多，实际效率高达98%，更低的内部电阻，大输出功率，更好的热性能，与电池和标准电容相比有更好的安全余量。

　　与所有类型的电池不同，EDLC没有特殊的处理要求，因此在整个生命周期内都具有环境友好特性。以前又大又笨重的超级电容现在已经有了各种尺寸的产品，可以适合任何应用以及几乎任何预算。

　　针对便携式设备的超级电容

　　如前所述，大电容值的超级电容在物理尺寸方面不再是一个障碍。5F以上的超级电容已经开始应用于许多便携式和手持式产品。在一些案例中，这些元件甚至可以代替给这些产品供电的电池。

　　Tecate Group推出了具有多样配置的多种PowerBurst品牌超级电容器。针对通用的脉冲电源、混合电池和便携式产品应用，径向引线的TPL和径向折弯的TPLS系列双层电容器分别具有0.5F到70F和100F到400F的容量(图4)。这两类器件的电压额定值都是2.7V，工作温度范围是-40℃到65℃。TPL和TPLS系列的最大高度分别是45mm(100F)和60mm(400F)。

　　

 

　　CAP-XX公司专门针对便携式市场推出了GS/GW系列单节和双节超级电容器(图5)。这些电容提供了电能有限的电池的替代品，寿命非常长，单节配置电压为2.3V，串联连接的双节电容器电压可达4.5V。

　　

 

　　这两种电容的工作温度范围都是-40℃到75℃。GW系列产品的外形尺寸为28.5x17mm，电压4.5V时的电容量最高为0.4F，等效串联电阻(ESR)低于60 mΩ。GS系列产品的外形尺寸为39x17mm，电压4.5V的电容量可达0.7F，ESR低至34 mΩ。

　　同样针对紧凑空间设计但可耐更高温度的CAP-XX公司HS和HW系列电容器具有很薄的外壳，工作温度范围是-40℃到85℃(图6)。在4.5到5.5V电压范围内，HW的尺寸为28.5x17mm。在5.5V电压时的电容量可达0.4F，ESR在5.5V时可低至100 mΩ。

　　

 

　　这些元件的厚度范围从0.9mm到2.9mm不等。电容量可达0.7F的HS系列外形尺寸为39mmx17mm，厚度范围同样为0.9mm到2.9mm，最小ESR为55 mΩ。这两个系列的超级电容可以处理高达20A的脉冲电流，额定的RMS电流为4A。

　　Kanthal Globar公司的Maxcap双层电容器可以用来代替作为存储器后备电源的电池，具有超过5.5 F/in.3的容积效率、无限的服务寿命、快速充放电能力和非常低的漏电流等特性(图7)。Kanthal Globar公司还表示，这些电容比电池更安全，在短路时不会爆炸，也不会损坏。这些电容器是非极化器件，不需要限流电阻或过压保护，因而可以消除装配错误和相关的成本。

　　

 

　　Maxcap电容有径向引线(LP、LC、LK、LT、LF、LV、LX和LJ系列)和表面贴装(LM系列)两大类。额定电压为3.5V或5.5V，电容值范围从0.01F到5F和0.47F到1F与5.6F，具体取决于额定电压值。电路板上还有一种5F/11V的封装。工作温度范围有两种，一种是从-40℃到85℃，一种是-25℃到70℃。另外，所有的Maxcap都是小尺寸元件，可在远端部署，并且不要求接入端口。

　　针对大型设备的超级电容

　　虽然看起来似乎所有电子设计都在缩小尺寸，设计师在拚命地争夺每纳米空间，但仍有许多领域微型化既不可能也没必要，包括汽车和运输、再生能源、军用和航空。在这些领域，通常采用更大尺寸的超级电容。

　　Maxwell Technologies公司推出的突破性BOOSTCAP产品设定了事实上的标准，基于其私有电极技术的产品可提供单节和多节模块化配置。

　　模块化BOOSTCAP配置由涵盖14个模块的BPAK和BMOD系列组成(图8)。根据具体的应用，用户可以从下列电容值/工作电压组合中选取合适的产品：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。这些模块的外形尺寸也不等，从约178x52x32mm到超过515x263x211mm。目标应用包括工业、汽车和消费类市场。

　　

 

　　Maxwell Technologies公司还有许多大型的具有很高容量的BOOSTCAP品牌单节电容器，不过工作电压比较低。BCAP系列共5节，在2.7Vdc的工作电压下电容值可达650、1200、11500、2000和3000F(图9)。这些电容的主要用途是与电池并行工作，适合要求恒定低功率放电以及峰值负载下提供脉冲功率的应用。

　　

 

　　Evans Capacitor公司的3STHQ3和3PTHQ3电容组器件则主要用于任务繁重的军事应用，它将公司的三个THQ3混合电容集成进了一个阳极电镀、环氧密封的铝壳中，整个尺寸为4.47×1.59×1.09英寸(图10)。针对更高的工作电压，3STHQ3组可以串联电容的方式提供以下四种产品：0.004 F/160 Vdc, 0.0028F/200Vdc, 0.0019F/250Vdc和0.0011F/300Vdc。

　　

 

　　针对更大的容量，3PTHQ3组器件可以并联电容的方式提供0.45F/10Vdc到0.01F/125Vdc范围内的产品。这两种配置的工作温度范围都是从-55℃到85℃，包括所有必要的平衡电阻和走线。

　　针对大电流环境，德国制造商Wima提供了全系列的双层圆柱形器件，其工作电流额定值高达400A，脉冲电流承受能力可达1400A。Wima公司的SuperCap C系列和R系列产品由电容值在110到600F范围内的2.7Vdc电容组成，它们的工作电流和脉冲电流额定值分别可达100A和800A。

　　最大和最强健的SuperCap MC系列则规定了14Vdc的工作电压和400A的电流。该产品的重量为1.7公斤，长宽高尺寸为325x60x90mm，正负电极之间的距离是265mm，可承受高达1.4kA的脉冲电流。

　　其它参数包括110F±20%的电容量，内部电阻为7mΩ，最大储存能量为10kJ，工作温度范围是-30℃到65℃，工作寿命长达9万小时。

　　超级电容的未来

　　如前所述，超级电容有望代替众多设备中的可充电电池。这种演进是合理的，特别是目前人们对绿色技术和高性价比替代能源非常渴求。