超级电容器进展

超级电容器进展

在不超过10年的发展时间里，超级电容器已经很成熟了，这种可以贮藏高电荷能量的电化学器件从最初只为直流应用（例如，微波炉或VCR中的时钟电压保持）设计的大容量、低耐压圆柱形器件发展到目前的两大分支：处于实用阶段为混合动力汽车提供电力，并具有很高耐压和法拉容量的电容器和新型小体积、低高度的柱形脉冲超级电容器。

这种新一代脉冲超级电容器具有极低ESR的特点，使得它们可以满足对锂离子电池或标准AA、AAA电池进行涓流充电时，设备工作所需要的瞬时峰值电流。低厚度的设计也使得它们可以被使用在小型电路卡组件（Circuit Card Assembly，CCA）中，并能够满足如便携设备中无线数据传输卡和高密度数据传输设备等对电源的需求。在这些应用中，常需要提供大约主电池输出电流两倍的峰值能量以实现快速的数据传输。

超级电容器正如它的名字一样，可以存储大量的电荷。标准电容器通过极板间的电介质存储电荷。由于电介质内的偶极子排列，电场的建立可以通过极板的电压测得。极板所能保持的电荷越多，电容量就越高，能量存储可以通过公式1/2(C×V2)来计算。此处，C为以法拉为单位的电容，V为以伏特为单位的极板电压。超级电容器也可以产生同样的结果，但它却是通过电荷的大量游离和运动，而不是通过介电质的偶极子排列来存储能量。这种移动相反电荷到分离器不同侧的机制是自然界中的电化学现象，与电池原理非常相似。能量在标准电容器或超级电容器之中能够存储多久将取决于电容器内部的漏电流（如偶极子的释放或电荷的重组），存储的能量能够被释放得多快取决于器件的内部电阻。

标准电容器技术的研究正集中于新型材料的开发以期改善介电常数、介电质漏电流、内部电阻和耐压能力。同样，对于超级电容器而言，最初的产品是基于高内阻的机电系统，并具有“类电池”的存储电能和放电特征，而新材料的开发已经使低ESR器件成为瞬时放电应用的理想器件。

当在标准电容器中计算偶极子排列所存储的能量时，通常会假定其是纯粹的直流应用环境。但在大多数应用中，需要电容器来传递信号，这就使极板带有交流电压。问题是偶极子的振动怎样能够很好地跟得上传过来的信号频率并不失真呢？或者哪种类型的标准电容器能够适合对应的应用环境？例如，耐压6V，容量高达2200μF，ESR小于50mΩ的钽电容在100kHz～1MHz范围内都有很好的频率响应。这是因为在100kHz时，电容量保持率很高（大约90%），是SMPS器件宽范围滤波要求的理想选择。陶瓷II型材料也适合这个频率范围，虽然电容量相比要低，但ESR会更低（大约100μF/5mΩ）。同时，陶瓷I型电介质有非常高的工作频率，特别适合射频应用。对于光学系统，单层器件可以接近10GHz的响应。

同样，超级电容器技术也正在发展以用于更加广泛的领域。这得益于纳米技术（可以用来开发更高表面积的炭叠层）所具有的优点，而最近几年许多令人激动的成果之一就是分离系统中的“质子聚合膜”被引入了电容器制造领域。这种技术有如下优点：
● 非常高的直流电容：容量在50mF～1F；
● 非常长的电容保持时间：以毫秒为单位的脉冲间隔；
● 非常宽的工作电压：3.6～15V，甚至更宽；
● 非常低的ESR：20～300mΩ；
● 非常低的漏电流：2～5μA；
● 非常长的生命周期：深度充放电循环测试高达一千万次（或者持续测试8个月）也没有显示出对这些电容有任何大的影响。

脉冲超级电容器的封装也在不断发展，主要朝向小占板面积和低高度方向。例如，AVX的BestCap®系列超级电容器大约8年前就面市了，包括了具有标准28mm×17mm尺寸和48mm×30mm大尺寸的型号，厚度范围是2.0mm～6.0mm。目前，已经开发出了小尺寸（20mm×15mm）的型号，更加微小尺寸（15mm×12mm）的型号也正在开发中（见图1）。这些超级电容的结构是非常坚固的，具有精密钢质外壳。所有内部单元部件都采用环保材料、无有机溶剂的水溶性材料制造，这些相同的单元部件会构成单元阵列。由于采用实体封装和相同的结构，可以承受超过1000g的重力加速度冲击，而且这些内部单元的工作温度范围是-40～+75℃。

超级电容器的电学特征加上它们的小型化，是数字无线应用的理想选择。一个主要的无线应用就是具有PCMCIA或USB接口的无线数据传输卡。在这些设备中，超级电容器提供了必须的瞬时放电能量来支持当笔记本或PDA锂离子电池处于涓流充电状态时，GPRS和EGDE数据传输所需要的电流。由于它们可以支持比主电池（能够延长电池寿命2～3倍）工作范围还宽的瞬时电流，所以能够改善许多设备的效率，大量的高功率无线数据卡都从中受益，如远程光学扫描器。

图1 超小型超级电容

无线传输中的一个重要问题是在传输脉冲速率下的电容量效率。当传输脉冲速率和（或）占空比周期增加时，许多具有很高直流电容的超级电容器都会受到电容量维持效率的影响。有些超级电容器所用的质子薄膜系统提供了很高的电容量效率，这就使高占空比的无线传输（例如，GPRS-8到GPRS-10）能够使用更低直流容量的电容（这也降低了设备涓流充电的能量裕量）。此外，这些应用中电容器的额定耐压范围（3.6～5.5V）表明，脉冲超级电容器可以用在GSM芯片（耐压3.5V）、锂离子电池（耐压4.5V），或者DC/DC转换器（5.5V）中。5.5V电压的使用可以省掉额外的电路，或者其他次级电路（如LDO等）。

超级电容器可以被用在相当苛刻环境中工作的数据记录设备上，例如，点货设备，或者包裹检测器等。这些设备的工作环境温度范围非常宽，而且还会受到冲击和震动，有时还会发生落地的情况。而人们主要关心的不仅仅是设备会不会摔坏，更重要的是会不会发生数据丢失。在只依靠电池工作的设备中，“电池接触声”的出现可能预示着一些关键数据丢失了，通过将超级电容器牢固地焊接在电路中，就不会在工作过程中由于严重的冲击而出现电源中断的情况。

坚固的等级和电气特征表明这些超级电容器可以支持许多需要瞬时功率电流并使用电池的“工业级”应用，包括远程安装和自动阀门的无线控制、自动计量系统、远程射频标签（RFID）阅读器和远程安保系统等。在这样的系统中，主要的供电电源可能不是普通电池，而很可能是太阳能电池。

另一种正在出现的应用是无须电池供电的设备。在大多数系统中，当超级电容器作为辅助能源设备时，如果只需要涓流充电，那么就有可能不需要主电源（或者太阳能电池）。而从压力到感应器件，它们可以通过多种振动和运动方式产生能量。新的能量采集系统已经可以用在任何有机械振动的系统中，而且能够提供输出电压给储能设备。在这些应用中，质子薄膜也具有另外一个优点，即更高的额定耐压，7～15V中的任何值都能达到，而与其他类型的超级电容器串联使用时也不需要平衡电阻。

正如前面所讨论的，在电容器中存储的能量是电压平方的函数。在所有设计用来存储能量的系统中，更高的电压可以实现更高的效率。这样系统中的电容器具有两个功能：
1 存储收集到的能量并提供电流给任何远程设备。
2 在无线设备中，高电容量的维持是质子薄膜技术为系统提高效率的另一种途径。

脉冲超级电容从近10年前问世以来，已经走了很长的路，从消费类应用到远程工业系统。下一个10年，它们将会是普遍使用的电介质类型器件。