從能源采集到發(fā)電廠，電力電子的應(yīng)用無處不在，沒有一種應(yīng)用不需要電力。從歷史看，電力電子工業(yè)變化多端，許多以前無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用用新技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了。在不斷尋求提高性能、可靠性和可持續(xù)性的過程中，新的元件和技術(shù)，如寬帶隙半導(dǎo)體和數(shù)字電源管理，受到了廣泛的關(guān)注和報(bào)道。然而，后端的儲(chǔ)能元件也是非常重要的，在許多重要的應(yīng)用中都不可忽略，一個(gè)重要的儲(chǔ)能元件就是超級(jí)電容。

超級(jí)電容，又名電化學(xué)電容，是通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的，因此超級(jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。

超級(jí)電容幾乎無處不在，或許是因?yàn)樗鼈儽灰暈榧夹g(shù)含量低的被動(dòng)元件，它們很少出現(xiàn)在舞臺(tái)前端。現(xiàn)在，是時(shí)候讓他們重新回到聚光燈下了。

從歷史到現(xiàn)實(shí)

電解電容誕生于五十年代早期，是電子行業(yè)向前邁出的重要一步。1966年11月，標(biāo)準(zhǔn)石油公司的工程師RobertA.Rightmire獲得了“電能存儲(chǔ)裝置”專利，超級(jí)電容器誕生了。又過了10年，這項(xiàng)發(fā)明才進(jìn)入市場。

由于超級(jí)電容有短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存和

由于超級(jí)電容有短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存和釋放大量能量的能力，電動(dòng)汽車在研究超級(jí)電容領(lǐng)域取得了好成績，發(fā)明和專利的數(shù)量也直線上升。在電動(dòng)汽車上最重要的應(yīng)用是儲(chǔ)存減速和剎車時(shí)產(chǎn)生的能量，以便在加速時(shí)重新利用這些能量為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。2011年3月舊金山的清潔技術(shù)論壇上，ElonMusk這樣預(yù)測電動(dòng)汽車的未來：“我認(rèn)為現(xiàn)在是個(gè)很好的機(jī)會(huì)，不是電池，而是將來超級(jí)電容可以給電動(dòng)汽車充電。”他的演講引發(fā)了人們對(duì)超級(jí)電容潛力的大量猜測，他們認(rèn)為超級(jí)電容將是大規(guī)模儲(chǔ)能的解決方案，最終將取代電池。

超級(jí)電容電池基本上由兩個(gè)電極、一個(gè)分離器和一個(gè)電解質(zhì)組成。電極由金屬集電極組成，金屬集電極是高導(dǎo)電部分，表面材料大多是活性材料（金屬氧化物、碳和石墨是最常用的材料）。

超級(jí)電容會(huì)不會(huì)取代電池呢？毫無疑問，納米技術(shù)的潛力讓人們對(duì)未來某個(gè)時(shí)刻超級(jí)電容的性能可能達(dá)到與電池同等的水平抱有很高的期望。如圖2所示，不同類型儲(chǔ)能設(shè)備的能量與功率密度的關(guān)系，目前燃料電池、電池、超級(jí)電容和常規(guī)電容的性能水平?jīng)]有重疊。然而，它們是互補(bǔ)的，而且最近的技術(shù)進(jìn)步正在減少電池和超級(jí)電容之間的差距。

圖2：不同類型儲(chǔ)能裝置的能量與功率密度

最近，技術(shù)進(jìn)步正在縮減電池和超級(jí)電容之間的差距。每一種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，電力設(shè)計(jì)人員在開發(fā)電力系統(tǒng)時(shí)都會(huì)考慮到這些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。比較鋰離子電池和超級(jí)電容的關(guān)鍵參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電容的主要好處之一是它極高的循環(huán)性，這意味著它幾乎可以充電和放電無數(shù)次，這對(duì)于電池來說是不大可能的，它的生命周期要短得多。

圖3：鋰離子電池與超級(jí)電容器關(guān)鍵參數(shù)比較

不僅僅是大功率應(yīng)用

不僅僅是蘭博基尼“TerzoMillennio”采用了超級(jí)電容，讓它在這款非常特別的電動(dòng)跑車的機(jī)動(dòng)化過程中扮演了重要的角色。除了需要大功率的汽車應(yīng)用外，超級(jí)電容還可以為包括IoT設(shè)備在內(nèi)的許多應(yīng)用提供持久、可靠、緊湊的備份電源。

小型超級(jí)電容器具有高循環(huán)壽命和快速充放電時(shí)間的能力，可以取代鈕扣電池，應(yīng)用從IoT設(shè)備、智能儀表或醫(yī)療設(shè)備的備用電源，到汽車電子和工業(yè)計(jì)算。典型應(yīng)用包括，當(dāng)主系統(tǒng)電源被移除，例如維護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘或易失性存儲(chǔ)器時(shí)，在斷電期間提供電力。

在這些情況下使用超級(jí)電容器有助于產(chǎn)品制造商讓用戶不受有限電池壽命的限制。它們還可以從PCB材料清單中消除昂貴和笨重的電池座，有利于小型焊接器件，并消除制造挑戰(zhàn)，例如管理電池庫存和在交付前插入電池的步驟。超級(jí)電容器的良性開路故障模式與可能導(dǎo)致放氣或點(diǎn)火的典型短路電池故障形成了鮮明對(duì)比。

電容值高達(dá)5法拉的超級(jí)電容器是小型備用電池的最具成本效益的替代品，并且根據(jù)負(fù)載類型和電流需求，可以存儲(chǔ)足夠的能量來為從幾秒到幾天的持續(xù)時(shí)間提供備用。

音頻放大器也可以使用一個(gè)超級(jí)電容組，它可以將峰值功率傳送到低音揚(yáng)聲器。智能電表很可能包含一個(gè)超級(jí)電容，能夠在通過GPRS模塊傳輸存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送峰值功率。

超級(jí)電容幾乎無處不在，從上海公交實(shí)驗(yàn)到僅靠超級(jí)電容供電的公交車隊(duì)，再到智能電表和能源采集。可以肯定的是，它們維持高充放電周期的能力，使之成為私人和公共電動(dòng)汽車以及港口起重機(jī)等機(jī)械積累和再利用能源的理想選擇。在許多應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)計(jì)師需要峰值功率時(shí)，它們就會(huì)出現(xiàn)。

多芯結(jié)構(gòu)和電容組

含有水電解質(zhì)的超級(jí)電容器可以有效地堆疊，以在較小的殼體尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的額定電壓，并且具有強(qiáng)粘合的密封以防止熱沖擊和機(jī)械沖擊等優(yōu)點(diǎn)。堅(jiān)固可靠的器件可以覆蓋范圍廣泛的工作電壓，從3.5V到12V。圖4顯示了這種多芯結(jié)構(gòu)如何封裝在樹脂模塑封裝中。或者，外封裝可以是密封的金屬罐，端子可以是通孔或表面安裝。

圖4：堅(jiān)固樹脂封裝外殼的水性電解質(zhì)小型超級(jí)電容

安全是超級(jí)電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這就是為什么在受限環(huán)境中需要備份或峰值功率時(shí)，超級(jí)電容器是首選。在惡劣或封閉環(huán)境中運(yùn)行的關(guān)鍵應(yīng)用嚴(yán)格按照化學(xué)和其他危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管理，減少或禁止某些類型的電池，如鋰離子電池。出于安全原因，這些應(yīng)用必須有足夠長的電源備份以運(yùn)行警報(bào)和安全關(guān)閉進(jìn)程。在如此惡劣的環(huán)境下，傳統(tǒng)的電池被超級(jí)電容組所取代，其容值從幾個(gè)法拉到200法拉不等。

圖5：可以代替電池組的超級(jí)電容器組

未來極具潛力

超級(jí)電容器在各種備用電源應(yīng)用中為電池提供了高性能的替代品，提供了大循環(huán)壽命，并且避免了設(shè)計(jì)者擔(dān)心電池更換或充電的任何需要。電極材料和電解質(zhì)配方的改進(jìn)使這些強(qiáng)大的器件能夠存儲(chǔ)更多的能量，并且更容易堆疊以提供所需的輸出電壓。最新的超級(jí)電容器以水電解質(zhì)為特色，隨時(shí)準(zhǔn)備來拯救RTC保持和NVM備份，應(yīng)用遍及能源、安全、汽車和醫(yī)療市場。

隨著可再生能源需求的不斷增長以及與能源儲(chǔ)存有關(guān)的問題，人們對(duì)使用大量鋰離子電池的理由提出了越來越多的疑問。我們都知道這些電池的使用壽命是有限的，但是除了消耗珍貴的原材料外，它們也不容易回收，而且還會(huì)帶來環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。超級(jí)電容技術(shù)的發(fā)展非常快。儲(chǔ)能問題帶來的挑戰(zhàn)，很可能通過將納米技術(shù)應(yīng)用在超級(jí)電容上來實(shí)現(xiàn)，超級(jí)電容的研究使之與鋰離子電池的差距正在縮小。

在某種程度上，超級(jí)電容正成為未來最有前途的元件。許多電源設(shè)計(jì)師已經(jīng)在應(yīng)用超級(jí)電容提供電力解決方案，但考慮到研究的速度之快以及人類因氣候變化而面臨的巨大挑戰(zhàn)，在不久的將來，超級(jí)電容有望成為現(xiàn)代電力解決方案的核心。