超级电容器：利用纳米技术收集能量

超级电容器是一种电化学装置，可与电流驱动的移动系统中的主发电机很好地集成。它们的特点是可以在短时间内（秒）提供高电力，而主发电机（电池、燃料电池）更适合长时间和恒定负载供电。超级电容器有利地耦合到电池和燃料电池系统、电动车辆、收发器、摄像机、UPS中，在这些系统中，在操作期间发生对电力的可变需求。

技术

超级电容器，也称为超级电容器或电化学电容器，使用高表面积电极材料和薄电解电介质来达到比传统电容器高几个数量级的容量（它们减少了电极之间的距离 D）。通过这种方式，超级电容器可以达到更高的能量密度，同时保持传统电容器高功率密度的特性（图 1）。

图 1：传统电容器图

A supercapacitor is a double layer capacitor with very high capacity but low voltage limits. Supercapacitors store more energy than electrolytic capacitors and are classified in farad (F). They consist of two metal plates coated only with a porous material known as activated carbon. As a result, they have a larger area for storing more charge. They have a low leakage current and are suitable in many applications that can operate in the 1.8 V – 2.5 V range. The plates are immersed in an electrolyte consisting of positive and negative ions dissolved in a solvent. When a voltage is applied, two separate charge layers are produced on the surface with a reduced separation distance compared to the classic capacitors.

Therefore, supercapacitors are often referred to as double-layer electric capacitors or EDLCs. The life of a supercapacitor lasts from 10 to 20 years, and the capacity could be reduced from 100% to 80% after about 8-10 years. Thanks to their low equivalent series resistance (ESR), supercapacitors provide high load currents to obtain an almost immediate charge in a few seconds. Micro-supercapacitors are MEMS-like devices of micrometric dimensions, suitable for flexible applications where bending micro-supercapacitors several times does not affect performance. This is ideal for wearables and IoT applications.

Double-layer concept

由于电容器的电容与电极的表面成正比，因此优先使用电化学惰性材料。这是由于较大的比表面积和适当的腔体几何形状以形成具有最大数量电解离子的双层基板。在开发阶段遇到的最大困难在于找到合适的同时又经济的材料。在具有这些特性的材料中，最有趣的是碳和一些金属氧化物。

碳更广泛地用作活性炭，在较小程度上以纤维和凝胶的形式使用，目前进一步的研究集中在纳米管和石墨烯的使用上。为了最大限度地提高容量，有必要开发具有这种形态的碳结构，以便为电解离子提供良好的可及性。从实用的角度来看，考虑到器件的尺寸，优化碳电极的最关键参数是其容量密度。

目前最好的碳电极每单位质量的表面积值达到 3000 m2 / g 的数量级，允许容量值等于 250 F / g；它们通常由碳粉制成，沉积在金属歧管上。粉末被压制（烧结）或与纤维或金属粉末混合，以提高导电性。

电极的性能不仅取决于材料的性质，还取决于一些几何因素。必须尽量减少离子和电子路径以实现高功率，因此尽可能减少电极的厚度以缩短到其表面的离子路径，同时减小电极宽度以缩短电子路径。这些措施的结果是，在给定的体积内，并联的层数较多，电流路径的截面增加而距离减小，从而导致更低的 ESR 和更高的功率。另一方面，这种几何考虑也会导致能量密度的降低，因此必然是功率和能量需求之间折衷的结果（图2）。

图 2：与超级电容器 (EDLC) 相比的电容和电压。

电路模型

在设计基于超级电容器的储能系统时，需要等效电路模型来适当地执行以下任务：

• 计算所需超级电容器的数量。考虑超级电容器的特性来确定所需超级电容器的数量并结合存储系统的能量和功率需求是合适的。在这些条件下，等效电路模型将有助于工程师的工作，简化使用商业软件执行的计算和模拟。

• 设计适当的硬件和软件来管理电源转换器中的电压电平。超级电容器的特点之一是，可以在很宽的电压范围内运行，因此通常需要使用 DC/DC 转换器来满足下游应用需求。超级电容器在由转换器充电时表现得像负载，而在放电期间充当电源。设计人员使用等效电路模型来非常近似地确定超级电容器在此类条件下的动态行为。

• 设计能源管理方案。这对于电力存储系统至关重要，因为精心设计的方案允许使用最少数量的超级电容器符合能源和功率规范，并显着提高系统的可靠性。只有在可以预测特定条件下超级电容器的行为时，能量管理方案才能执行其任务。

• 在超级电容器组中设计电压平衡电路。

通常，存储系统采用一定数量的串联超级电容器，并且由于各个电池之间的电容和漏电流差异，其中一些可能存在过压风险。要避免的风险。为此，使用电压平衡系统，其设计必须考虑超级电容器充电和放电阶段的动态响应，因此其电路模型将提供必要的信息（图 3 和图 4）。

图 3：超级电容器的等效电路

超级电容器最简单的电路模型，如图 4 所示，由包含电阻器 (R) 的单个支路组成，电阻器 (R) 表示元件与电容 (C) 串联的欧姆损耗，模拟超级电容器在充电和放电循环。

图 4：物联网超级电容器的典型应用

改进后的模型可分为三类：并联支路RC模型、传输线RC模型和串并联RC模型。

解决方案和电源管理 IC

CAP-XX 已开发出单缸 (2.7 V) 和双电池 (5.4 V) 圆柱形超级电容器，可为物联网 (IoT) 设备提供高峰值功率和低 ESR，成本具有竞争力。Maxwell 超级电容器非常适合从混合动力汽车、消费电子产品到工业设备等应用。这些超级电容器有多种尺寸、容量和模块化配置可供选择，可以延长电池寿命，或者在某些情况下完全更换电池。
Murata 的超薄 DMH 超级电容器在 20 x 20 x 0.4 毫米封装中提供 35 mF 容量、4.5 V 标称电压和 300 mΩ ESR。
TDK EDLC 采用最新材料技术制成，非常适合用于辅助电源和能量收集设备等应用。该解决方案提供多种容量，工作电压介于 3.2 和 5.5 V 之间。

根据应用，工程师可以选择各种明确设计的设备来处理超级电容器的独特充电/放电要求。ADI 公司提供 LTC3350，这是一款电源控制器，能够加载和监控多达四个超级电容器的一系列堆栈。

图 5：LTC3350 的典型应用

Maxim Integrated H 桥驱动器 MAX13256 是另一种为超级电容器充电的解决方案。在超级电容器的正极导体和电路的输出之间并联添加一个二极管和一个电阻器，限制了正常操作期间用于再充电的电流（图 5）。

结论

超级电容器是一种新兴的储能技术，将在物联网系统的未来发挥重要作用。尽管与其他电池技术相比，锂离子电池越来越抢占市场，但在功率和循环次数方面，它们永远无法与超级电容器竞争。电池和超级电容器的组合为汽车领域的许多电源管理系统提供了最佳解决方案。对于电动汽车，超级电容器已在启动/停止系统、发动机辅助和充电站中找到了空间。

审核编辑：汤梓红