當(dāng)然，今天我們要討論的超級(jí)電容，仍然符合物理定律，但由于其在一些關(guān)鍵性能指標(biāo)上能夠超越普通電容幾個(gè)量級(jí)，所以在不少應(yīng)用領(lǐng)域上幾乎可以任性到獨(dú)步天下的地步。

 

超級(jí)電容為什么“超級(jí)”？

 

雙電層電容（EDLC，Electrochemical Double-Layer Capacitor）是一種電化學(xué)電容，之所以被稱作“超級(jí)”電容，主要是因?yàn)樗母吣芰棵芏忍攸c(diǎn)，與傳統(tǒng)的電解電容相比，其容量高出幾個(gè)量級(jí)。這個(gè)優(yōu)勢(shì)源于超級(jí)電容比較特殊的結(jié)構(gòu)。

 

在傳統(tǒng)的電容中，電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得其累積在導(dǎo)體上，造成電荷的累積儲(chǔ)存，儲(chǔ)存的電荷量稱為電容量。

 

而超級(jí)電容，可以簡(jiǎn)單地被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無反應(yīng)活性的多孔電極板。在電極板上加電，電解質(zhì)中相反極性的離子就會(huì)在電極板兩側(cè)形成兩個(gè)緊密的電荷層，近似于平板電容產(chǎn)生電容效應(yīng)，達(dá)到儲(chǔ)能的目的。

 

電極上形成的緊密電荷層間距比普通電容的電荷層間距小得多，而且由于電容儲(chǔ)能容量的大小與電極的平面面積正相關(guān)，超級(jí)電容電極表面多采用多孔的活性炭材料，有效面積是光滑表面的數(shù)萬倍，因此，超級(jí)電容的儲(chǔ)存能量的能力（靜電容量）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的電容。

 

圖1：典型超級(jí)電容示意圖 （圖片來源：維基網(wǎng)）

1.電源，2.集電極，3.電極，

4.Helmholtz層，5.電解液，6.分隔

 

超級(jí)電容沒有傳統(tǒng)的電介質(zhì)，而是使用絕緣體隔開。這個(gè)絕緣層可以讓電解液中的正負(fù)離子通過。該電解液本身不傳導(dǎo)電子，所以當(dāng)充電結(jié)束后，電容內(nèi)部不會(huì)發(fā)生漏電；放電時(shí)，電極上的電子通過外部電路從一極流向另外一極，其結(jié)果是電極與電解液中的離子吸附顯著降低，電解液中的正負(fù)離子又重新均勻分布開來。

 

這樣特殊的架構(gòu)，決定了超級(jí)電容和一般電容以及其它儲(chǔ)能技術(shù)相比，在諸多性能方面都擁有絕對(duì)可以任性的資本，以至于被冠以“超級(jí)”頭銜。

 

表1：超級(jí)電容、電容和充電電池等儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比

 

 ○ 電容量：超級(jí)電容最為“任性”的性能參數(shù)是電容量。超級(jí)電容的容量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電容，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池大小的電解電容的容量為幾十微法，同樣大小的超級(jí)電容的容量范圍在0.1F至幾千F（甚至上萬F），差別可達(dá)五個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

 ○ 充電速度：超級(jí)電容的充電速度極快，通常達(dá)到額定容量的95%只需要數(shù)秒至10分鐘內(nèi)即可，比電池充電時(shí)間小二至三個(gè)量級(jí)，絕對(duì)秒殺充電電池。

 

 ○ 超長(zhǎng)壽命：超長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命也是超級(jí)電容最為任性的參數(shù)之一。其充放電循環(huán)使用次數(shù)最高可達(dá)數(shù)十萬次，高出充電電池兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并使得每個(gè)充放周期成本大大低于電池。而且，與二次電池相比，超級(jí)電容沒有過充危險(xiǎn)，沒有“記憶效應(yīng)”，電極也不會(huì)發(fā)生腐蝕。

 

 ○ 功率密度：盡管超級(jí)電容的能量密度不及電池的一成，但是其功率密度卻非常“任性”，高至電池的10至100倍。因?yàn)榉逯荡箅娏鞣烹娔芰Τ瑥?qiáng)，充放電能量轉(zhuǎn)換效率高。

 

此外，與充電電池相比，超級(jí)電容還有成本較低、放電電壓恒定、外部電路簡(jiǎn)單、低溫特性好、更環(huán)保等特點(diǎn)，因此在諸多儲(chǔ)能應(yīng)用中備受青睞。

 

呼之欲出的市場(chǎng)應(yīng)用

 

正是由于認(rèn)識(shí)到超級(jí)電容的這些價(jià)值，近年來它的應(yīng)用也日漸趨熱。

 

汽車和交通運(yùn)輸無疑將是未來十年超級(jí)電容的第一大應(yīng)用市場(chǎng)。超級(jí)電容充電速度快、提供脈沖功率、安全、沒有昂貴的材料、報(bào)廢時(shí)無需特殊處理等特性，使其成為未來電動(dòng)汽車進(jìn)一步提升續(xù)航里程重要的技術(shù)選項(xiàng)。

 

在新能源汽車中，利用超級(jí)電容快速充放電的特性，還可以和電池配合形成智能啟停控制系統(tǒng)——超級(jí)電容可迅速高效地吸收電動(dòng)汽車制動(dòng)產(chǎn)生的再生動(dòng)能完成充電，而在加速和爬坡時(shí)放電，為智能啟停控制系統(tǒng)電機(jī)提供電能，延長(zhǎng)電池的使用壽命。類似的思路也可用在火車和地鐵等軌道交通的剎車制動(dòng)系統(tǒng)，以及啟動(dòng)停止操作頻繁的工業(yè)領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

 

在能源電力領(lǐng)域，后備電源是超級(jí)電容一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景：它可以在線路失電時(shí)，為開關(guān)設(shè)備提供可靠的電源支持；也可以在低負(fù)荷時(shí)儲(chǔ)存電能，而在高負(fù)荷時(shí)輸出電能，滿足微電網(wǎng)用電需求，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

 

在新興的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，超級(jí)電容可以與能量收集技術(shù)配合使用，成為使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、低成本的儲(chǔ)能解決方案。此外在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，超級(jí)電容也為各種便攜產(chǎn)品提供穩(wěn)壓或充當(dāng)電源，比如為內(nèi)置的閃光燈進(jìn)行快速充電。

 

隨著人們對(duì)其應(yīng)用開發(fā)的不斷深化，超級(jí)電容更大的潛力正在釋放出來，這也會(huì)給銳意創(chuàng)新的開發(fā)者提供更多“任性”發(fā)揮的空間。

 

選擇一顆理想的超級(jí)電容

 

當(dāng)然，設(shè)計(jì)創(chuàng)意上的“任性”發(fā)揮，并不意味著你在超級(jí)電容選擇上可以任性隨便。找一個(gè)可靠的供應(yīng)商、挑選一顆滿足設(shè)計(jì)所需的超級(jí)電容，仍然是開發(fā)者必須邁出的堅(jiān)實(shí)的第一步。

 

AVX公司的超級(jí)電容就是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇！AVX提供的多個(gè)系列的超級(jí)電容產(chǎn)品，都巧妙地融合了高電容、低ESR和低電流、出色的脈沖功率處理能力等特性，在眾多競(jìng)品中表現(xiàn)搶眼；而且根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要，AVX超級(jí)電容已經(jīng)形成完整的產(chǎn)品系列，并有了很多成功的商業(yè)案例，成為儲(chǔ)能和脈沖電源等應(yīng)用的理想選擇。

 

AVX的SCC系列柱式超級(jí)電容看起來和普通的電解電容很相似，但電容值最高可達(dá)3000F，提供2.7V或3V的額定電壓，這些電容的工作溫度可高達(dá)85°C，帶電壓降額。SCC系列可提供更長(zhǎng)的備份時(shí)間和更長(zhǎng)電池壽命，并能根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖，相關(guān)應(yīng)用包括能量采集、UPS/工業(yè)、無線警報(bào)和遠(yuǎn)程計(jì)量等。

 

SCC系列超級(jí)電容

 

 

產(chǎn)品特點(diǎn)

 

 ○ 電容值范圍為1F~3000F

 ○ 高脈沖功率處理能力

 ○ 低ESR

 ○ 低漏電流

 ○ 工作溫度高達(dá)85°C，帶電壓降額

 ○ 提供更長(zhǎng)備份時(shí)間和更長(zhǎng)電池壽命

 ○ 能根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖

 

典型應(yīng)用

 

 ○ 相機(jī)閃光燈系統(tǒng)

 ○ 能量采集

 ○ GSM/GPRS脈沖應(yīng)用

 ○ UPS/工業(yè)

 ○ 無線警報(bào)

 ○ 遠(yuǎn)程計(jì)量

 ○ 掃描儀

 ○ 玩具和游戲

 

在SCC系列基礎(chǔ)上，AVX還推出了SCC LE產(chǎn)品系列，所謂LE就是低ESR（Low ESR）的意思，該系列產(chǎn)品的ESR都在毫歐級(jí)的水平，其中的SCCY1AB857PLBLE 在1000 Hz時(shí)的ESR甚至低至0.8mΩ。

 

SCC LE系列超級(jí)電容

 

 

產(chǎn)品特點(diǎn)

 

 ○ 電容值范圍為3.3F~850F

 ○ 高脈沖功率處理能力

 ○ 超低ESR（毫歐級(jí)）

 ○ 低漏電流

 ○ 提供更長(zhǎng)備份時(shí)間和更長(zhǎng)電池壽命

 ○ 能根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖

 

典型應(yīng)用

 

 ○ 電力保持模塊

 ○ 能量采集

 ○ UPS/工業(yè)

 ○ 機(jī)器人電源

 ○ 大脈沖電流應(yīng)用

 

AVX的SCM系列是串聯(lián)的超級(jí)電容模組，它可用于更高電壓的應(yīng)用，額定電壓從5V到9V。該系列電容的電容范圍為0.47F至7.5F。

 

SCM系列超級(jí)電容

 

 

產(chǎn)品特點(diǎn)

 

 ○ 電容范圍為0.47F~7.5F

 ○ 高脈沖功率能力

 ○ 低ESR

 ○ 低漏電流

 ○ 塑料防潮版本

 ○ 工作溫度高達(dá)85°C，帶電壓降額

 ○ 提供更長(zhǎng)的備份時(shí)間和更長(zhǎng)電池壽命

 ○ 能根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖

 

典型應(yīng)用

 

 ○ 相機(jī)閃光燈系統(tǒng)

 ○ 能量采集

 ○ GSM/GPRS脈沖應(yīng)用

 ○ UPS/工業(yè)

 ○ 無線警報(bào)

 ○ 遠(yuǎn)程計(jì)量

 ○ 掃描儀

 ○ 玩具和游戲

 

上述的AVX的系列超級(jí)電容既可單獨(dú)使用，也可與一次或二次電池結(jié)合使用，成為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能源管理方案的利器。

 

 

推薦閱讀：