关于超级电容的原理与应用以及未来的发展分析

在电子元件分类中，超级电容正好定位于电容和电池之间。比起使用固态电介质的传统电容，单个超级电容可存储多得多的能量。但其存储容量要落后于电池。但是，当超级电容可以储存应用所需的足够能量时，它们就会发挥出多种优势，包括瞬时打开、快速充电等能力，并且不需要太复杂的充电电路。

对电子设计工程师来说，超级电容的其它重要特性包括：高能量密度和超长循环使用寿命。相对电池来说这些优势非常明显。

这些特性可以满足很多新应用需求，这些新应用对能量的需求就像手机一样各不相同，在这些应用中，使用超级电容可以延长电池寿命。在许多成熟应用中超级电容甚至取代常规电容和电池。

超级电容基础知识

常规电容使用固态电介质来储存能量，与之不同的是超级电容使用两个电层，通常被称为EDLC（电化学双层电容）。在EDLC中，采用物理机制来生成电介质功能的双电层。充放电过程则通过正负极活性碳电极表面上的一个离子吸收层来完成。电荷在EDLC双层的静止分离距离非常小——在0.3至0.8纳米之间。图1显示了充电（左）和放电（右）过程的离子活性。

图1：双电层电容通常将电荷存储在活性炭电极中（由松下提供）。

EDLC使用薄膜活性炭中的离子迁移来存储电荷。在电容的两个电极施加电压使电解质中的离子迁移以试图翻转电极上的电荷（充电过程）。带正电的离子移动到负电极，而带负电的离子移动到正极，形成了电解质内的两个电荷层：一个正极和一个负极。移除该电压使离子以相反方向移动，形成放电过程。

超级电容的电容值由它们的尺寸、几何形状和复合材料来确定。铝电解质器件的电容范围在10-6到 10-2 F （法拉）之间。松下黄金超级电容产品线提供的电容值高达70F。消费产品中使用的可充电电池提供更高的电容——具体高出多少取决于电池大小。

在与电池技术的竞争中，新型材料为超级电容提供了新动力。研究人员已经制造出与镍氢电池能量密度相当的石墨烯器件——室温下可达到85瓦时/千克。如同所有其它超级电容，他们的充电速度非常快——只有几秒钟或几分钟。

通过导电聚合物构建的新器件可以增加电容容量，这源自称为赝电容的电荷储存原理，赝电容由电极上的化学还原—氧化（氧化还原）反应产生。通常，所述离子是O2+。在充电过程中其中一个电极发生还原反应，而另一电极则是氧化反应。在放电过程中，这些反应发生逆转并且离子在电解质间朝相反方向移动。

（编者注：赝电容，或称为法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附，脱附或氧化，还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。赝电容不仅在电极表面，而且可在整个电极内部产生，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍。

目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。目前对金属氧化物电极电化学电容器所用电极材料的研究，主要是一些过渡金属氧化物， 如a—MnO2‘nH20、a—V205·nH20、a—RuO2·nH20、IrO2、Ni0 、H3PM ol2040‘nH20、W 03、Pb02、Co304、SrRuO3等，另外还有发展金属的氮化物y-M~N作电极材料。金属氧化物基电容器目前研究最为成功的电极材料主要是氧化钌， 由于贵金属的资源有限，价格过高将限制对它的使用，对于金属氧化物电容器的研究主要在于降低材料的成本，寻找较廉价的材料。）

双电层电容和赝电容共同决定了超级电容的电容值。依赖于具体的电极设计和电解质组合物，两者的相对贡献变化很大。在一些情况下，赝电容增加的电容值比双层电板本身的电容高出一个数量级。

应用领域

在高端能量存储领域，超级电容可以在多个方面提升混合电动车的效率。简单地说，目前的混合动力汽车一般在停止时会完全关闭发动机，然后高效地利用存储在超级电容中的能量再次启动。Maxwell Technologies 公司提供了一系列基于超级电容的模块，容量可高达3000F。混动汽车中的启停应用中已经售出了60多万件超级电容。

Maxwell 还为传统汽车设计了一个替代品，在一个较小的铅酸蓄电池上面连接超级电容。这一应用的背后概念是，在电力需求峰值时，比如启动汽车，降低该电池能够产生的总能量。当放电量较小并且稳定时，电池可以持续更长的时间。麦克斯韦“混合”超级铅酸蓄电池中的超级电容放宽了电池的能量要求。

其他元件供应商针对不同市场提供其超级电容产品系列，包括Nichicon，AVX，村田，Cornell Dubilier和Vishay等。

根据市场研究机构Paumanok出版公司的报告显示，火车、飞机和汽车（以及卡车）占据了目前全球4亿美元超级电容市场的40％左右。运输类应用包括磁悬浮列车、动力和制动回收系统、卡车升降机，以及轨道切换器。

设计工程师对超级电容在消费类电子产品、计算机和通信中应用的兴趣更大。超级电容经常用于这些产品中的存储保护。另一种常见的应用是内部后备电源。超级电容既可用于替代电池，也可用作短期的冗余后备电源。

随着智能电表部署的稳步增加，电能和煤气表的后备电源受到越来越多的关注，因为如果主电源出现故障，仪表很可能也无法正常工作。可充电电池是常规的设计选择，但它们需要充电电路，这增加了设计成本，并且这种故障情况发生率相对较低，因此并不划算。

智能电表用后备电源有两个基本需求：（1）电源能够瞬时打开;（2）可用于低温工作，因为电表通常安装在室外。超级电容要非常满足这两个需求，因为它们反应迅速，允许电表发送警报，并且将状态和使用信息传回网络。

整合一个后备超级电容的设计工作量要比设计可充电电池少一些，但同样的充电控制器IC往往可以在两种应用中共用。虽然供电部分超级电容要比充电电池简单一些，但仍有一些设计陷阱需要避免。例如，使用二极管来防止反向电流将导致超级电容的充电阈值有所增加，增幅为二极管压降。使用稳压器代替可以消除二极管压降问题，降低充电阈值。这种策略在超级电容耗尽时也会出现问题，因为超级电容需要更长的时间来充电。

电源管理IC供应商的数据手册和应用笔记，可以提供电源设计的最佳实践。德州仪器的bq24640和美信公司的MAX17710就是其中的两个案例。

其他常见的超级电容应用是用来保护CMOS逻辑电路以及驱动电子玩具。安全警报系统、不间断电源（UPS）系统以及太阳能发电等。

直到最近，超级电容市场的主要增长点依然是替传统电容。最近，这个技术似乎正准备进入智能手机及其它需要或多或少同时执行多个功能设备的锂离子电池市场，这些设备对能量的需求各不相同。

如果能量消耗很快，锂电池包含的总势能将下降。换言之，对电池的瞬时高功率需求意味着这样方式下获取的总能量将比长时间获取的总能量要少一些。而超级电容没有这个限制。

超级电容还可用于太阳能电池阵列，并且还非常适合用于微型能量采集应用中，从它的定义名称可以得知，这类应用不需要太多的能量存储。从附近的热量、振动或生物来源获取的毫瓦级能量可以驱动用于监视和控制电机的传感器。例如，旋转机械产生的振动能量，首先由一个能量采集设备转换为电能，然后再存储在超级电容中。使用超级电容可以削减用于更换电池或连接到可充电电池电力线的费用。图2显示了通用能量采集系统的方框图。尽管超级电容理论上可能是唯一的能量来源，但目前的实际设计通常使用电池来提供长期能量，而使用超级电容来满足峰值功率需求。Cellergy及其它供应商为这些应用提供了理想器件。

图2：微能量采集设计受惠于集成超级电容

前面提到的MAX17710充电器IC可用于能量收集应用。它集成了一个输入升压调压器，可以处理低至800毫伏的充电。MAX 17710 可以采集1微瓦到100毫瓦的能量。为了保护电池/超级电容储能装置，它限制了输入电源的电压，调节或分流了多余的电力。一个低压差线性稳压器（LDO），带有3.3V和1.8V电压选择，用于防止过度充电。欲了解更多关于能量采集技术和产品的信息，请访问 http：//www.mouser.com/applications/energy_harvesting/

结论

不久以前，超级电容只用在有限的应用中，比如存储保护和内部备用电池，但在过去几年，它的应用领域已显著拓展到混合动力汽车、智能手机和能量采集领域。一些新兴技术有望使超级电容具备同充电电池完全竞争的能力。