超級電容以前主要用於大功率電源和大型工業與消費類電源設備，如今在各種尺寸的產品、特別是便攜式設備中也找到了用武之地。超級電容以高達數千法拉的電容值和快速充放電速率而聞名於世。

由(you)於(yu)能(neng)夠(gou)長(chang)時(shi)間(jian)存(cun)儲(chu)大(da)量(liang)的(de)電(dian)能(neng)
，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)表(biao)現(xian)得(de)更(geng)像(xiang)是(shi)電(dian)池(chi)而(er)不(bu)是(shi)一(yi)個(ge)標(biao)準(zhun)電(dian)容(rong)。事(shi)實(shi)上(shang)，隨(sui)著(zhe)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)，它(ta)們(men)將(jiang)替(ti)代(dai)眾(zhong)多(duo)產(chan)品(pin)中(zhong)的(de)可(ke)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)
，從(cong)計(ji)算(suan)機(ji)、數碼相機
、手機到其它手持設備。

什麼是超級電容
？超級電容簡介

簡單地說，超級電容是一種非常大的極化電解質電容。這裏的‘大’指的是容量，而不是它們的物理尺寸。

的確
，對於普通的電解電容來說，電容值和/或電壓值越大，整個封裝也越大。電解電容通常提供微法拉數量級的電容值
，從約0.1uF到約1F，其電壓標稱值最高可達1kVdc。一般來說，額定電壓越高，電容值就越小
，而電容值越大，封裝也就越大，而且工作電壓也可能會降低。

這些規則基本上也適用於超級電容。超級電容的容值在1F以上，工作電壓範圍從1.5V到160V甚至更高。隨著電容值和電壓增加，其體積也會增加。

電(dian)容(rong)值(zhi)在(zai)數(shu)十(shi)法(fa)拉(la)左(zuo)右(you)的(de)早(zao)期(qi)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)是(shi)個(ge)大(da)塊(kuai)頭(tou)，主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)大(da)型(xing)電(dian)源(yuan)設(she)備(bei)。具(ju)有(you)低(di)電(dian)壓(ya)工(gong)作(zuo)能(neng)力(li)的(de)小(xiao)體(ti)積(ji)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)則(ze)常(chang)用(yong)作(zuo)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)中(zhong)的(de)短(duan)期(qi)備(bei)用(yong)電(dian)源(yuan)。

盡管超級電容和電解電容存在很大的相似性

，但在電氣性能和物理尺寸方麵也有很大的差異。例如，一個普通的10uF
、25Vdc額定電壓電解電容尺寸可能略小於甚至等同於1F到10F
、2.7Vdc的超級電容。隨著最近技術的進步，將超級電容的工作電壓提高到25Vdc時
，尺寸增加不到一倍，根據具體應用場合，這樣的體積變化可能並不十分顯著。

剖析超級電容的結構

yuanzeshangjiang
，renmenkeyijiangchaojidianrongkanzuoshiyigekechongdiandianchi。tanengcunchuyuqirongliangchengzhengbidedianhe，bingzaiyaoqiufangdianshishifangdianhe。chaojidianrongyudianjiedianrongdezuidaqubieshiqidianzishuangcengjiagou
，tanengshixiangenggaoderongliang。

標準電容的結構是在兩個附屬於金屬板上的電極之間夾一層電介質層(圖1)。根據電容類型不同
，電介質可以是氧化鋁、四氧化鉭、氧化鈦鋇或聚丙烯聚酯
，不同的材料決定了不同的容量和電壓特性(圖2)。電介質的多少和極板間的距離也會影響電容量。然而，極板間最大允許距離限製了電介質的數量。

在這種單層結構中，增加電介質數量來提高容量通常是可行的
，方法有三種，即增加封裝寬度和極板尺寸
、增加封裝長度和增加極板距離或這兩種方法的組合。這三種方法都將導致電容器的體積變大，這是增加電容容量必須做出的一種犧牲。

雙電層電容器(EDLC)正如它的字麵意義那樣可以解決上述問題，它在相同的封裝內增加了第二個電介層，這個電介層與第一層在中間隔離物的兩邊並行工作(圖3)。EDLC也采用無孔電介質，如活性碳、碳納米管、炭黑凝膠

，並選用導電聚合物
，其存儲容量要比標準的電解材料高出許多。額外層和更高效電介材料的這種組合能使電容容量提高近4個數量級。

不過
，電壓能力是超級電容的薄弱環節，根源在於電介質材料。EDLC中(zhong)的(de)電(dian)介(jie)質(zhi)特(te)別(bie)薄(bo)，隻(zhi)有(you)納(na)米(mi)數(shu)量(liang)級(ji)
，因(yin)此(ci)能(neng)產(chan)生(sheng)很(hen)大(da)的(de)表(biao)麵(mian)積(ji)，從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)更(geng)大(da)的(de)容(rong)量(liang)。但(dan)這(zhe)些(xie)很(hen)薄(bo)的(de)層(ceng)不(bu)具(ju)有(you)傳(chuan)統(tong)電(dian)介(jie)質(zhi)理(li)想(xiang)的(de)絕(jue)緣(yuan)特(te)性(xing)，因(yin)此(ci)要(yao)求(qiu)較(jiao)低(di)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)。

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超級電容應用

與標準電容和電池相比，EDLC的多個優點使得它們能成為理想的替代品。這些優點包括：與可重複充電電池相比充放電次數更多，實際效率高達98%

，更低的內部電阻，大輸出功率
，更好的熱性能，與電池和標準電容相比有更好的安全餘量。

與所有類型的電池不同，EDLC沒(mei)有(you)特(te)殊(shu)的(de)處(chu)理(li)要(yao)求(qiu)

，因(yin)此(ci)在(zai)整(zheng)個(ge)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)內(nei)都(dou)具(ju)有(you)環(huan)境(jing)友(you)好(hao)特(te)性(xing)。以(yi)前(qian)又(you)大(da)又(you)笨(ben)重(zhong)的(de)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)有(you)了(le)各(ge)種(zhong)尺(chi)寸(cun)的(de)產(chan)品(pin)，可(ke)以(yi)適(shi)合(he)任(ren)何(he)應(ying)用(yong)以(yi)及(ji)幾(ji)乎(hu)任(ren)何(he)預(yu)算(suan)。

針對便攜式設備的超級電容

如前所述
，大電容值的超級電容在物理尺寸方麵不再是一個障礙。5F以上的超級電容已經開始應用於許多便攜式和手持式產品。在一些案例中
，這些元件甚至可以代替給這些產品供電的電池。

Tecate Group推出了具有多樣配置的多種PowerBurst品牌超級電容器。針對通用的脈衝電源
、混合電池和便攜式產品應用，徑向引線的TPL和徑向折彎的TPLS係列雙層電容器分別具有0.5F到70F和100F到400F的容量(圖4)。這兩類器件的電壓額定值都是2.7V，工作溫度範圍是-40℃到65℃。TPL和TPLS係列的最大高度分別是45mm(100F)和60mm(400F)。

CAP-XX公司專門針對便攜式市場推出了GS/GW係列單節和雙節超級電容器(圖5)。這些電容提供了電能有限的電池的替代品，壽命非常長，單節配置電壓為2.3V
，串聯連接的雙節電容器電壓可達4.5V。

這兩種電容的工作溫度範圍都是-40℃到75℃。GW係列產品的外形尺寸為28.5x17mm
，電壓4.5V時的電容量最高為0.4F，等效串聯電阻(ESR)低於60 mΩ。GS係列產品的外形尺寸為39x17mm，電壓4.5V的電容量可達0.7F，ESR低至34 mΩ。

同樣針對緊湊空間設計但可耐更高溫度的CAP-XX公司HS和HW係列電容器具有很薄的外殼，工作溫度範圍是-40℃到85℃(圖6)。在4.5到5.5V電壓範圍內，HW的尺寸為28.5x17mm。在5.5V電壓時的電容量可達0.4F，ESR在5.5V時可低至100 mΩ。

這些元件的厚度範圍從0.9mm到2.9mm不等。電容量可達0.7F的HS係列外形尺寸為39mmx17mm，厚度範圍同樣為0.9mm到2.9mm，最小ESR為55 mΩ。這兩個係列的超級電容可以處理高達20A的脈衝電流，額定的RMS電流為4A。

Kanthal Globar公司的Maxcap雙層電容器可以用來代替作為存儲器後備電源的電池

，具有超過5.5 F/in.3的容積效率、無限的服務壽命、快速充放電能力和非常低的漏電流等特性(圖7)。Kanthal Globar公gong司si還hai表biao示shi，這zhe些xie電dian容rong比bi電dian池chi更geng安an全quan，在zai短duan路lu時shi不bu會hui爆bao炸zha，也ye不bu會hui損sun壞huai。這zhe些xie電dian容rong器qi是shi非fei極ji化hua器qi件jian
，不bu需xu要yao限xian流liu電dian阻zu或huo過guo壓ya保bao護hu
，因yin而er可ke以yi消xiao除chu裝zhuang配pei錯cuo誤wu和he相xiang關guan的de成cheng本ben。

Maxcap電容有徑向引線(LP

、LC、LK、LT、LF、LV、LX和LJ係列)和表麵貼裝(LM係列)兩大類。額定電壓為3.5V或5.5V，電容值範圍從0.01F到5F和0.47F到1F與5.6F，具體取決於額定電壓值。電路板上還有一種5F/11V的封裝。工作溫度範圍有兩種，一種是從-40℃到85℃，一種是-25℃到70℃。另外
，所有的Maxcap都是小尺寸元件，可在遠端部署，並且不要求接入端口。

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針對大型設備的超級電容

suirankanqilaisihusuoyoudianzishejidouzaisuoxiaochicun，shejishizaipinmingdizhengduomeinamikongjian，danrengyouxuduolingyuweixinghuajibukenengyemeibiyao，baokuoqicheheyunshu、再生能源
、軍用和航空。在這些領域，通常采用更大尺寸的超級電容。

Maxwell Technologies公司推出的突破性BOOSTCAP產品設定了事實上的標準，基於其私有電極技術的產品可提供單節和多節模塊化配置。

模塊化BOOSTCAP配置由涵蓋14個模塊的BPAK和BMOD係列組成(圖8)。根據具體的應用
，用戶可以從下列電容值/工作電壓組合中選取合適的產品：15Vdc下有20、23、52和58F;16.2Vdc下有110、250或500F;48.6Vdc下有165F;75Vdc下有94F;125Vdc下有63F。這些模塊的外形尺寸也不等，從約178x52x32mm到超過515x263x211mm。目標應用包括工業、汽車和消費類市場。

Maxwell Technologies公司還有許多大型的具有很高容量的BOOSTCAP品牌單節電容器，不過工作電壓比較低。BCAP係列共5節
，在2.7Vdc的工作電壓下電容值可達650、1200
、11500、2000和3000F(圖9)。這些電容的主要用途是與電池並行工作
，適合要求恒定低功率放電以及峰值負載下提供脈衝功率的應用。

Evans Capacitor公司的3STHQ3和3PTHQ3電容組器件則主要用於任務繁重的軍事應用，它將公司的三個THQ3混合電容集成進了一個陽極電鍍、環氧密封的鋁殼中，整個尺寸為4.47×1.59×1.09英寸(圖10)。針對更高的工作電壓
，3STHQ3組可以串聯電容的方式提供以下四種產品：0.004 F/160 Vdc, 0.0028F/200Vdc, 0.0019F/250Vdc和0.0011F/300Vdc。

針對更大的容量
，3PTHQ3組器件可以並聯電容的方式提供0.45F/10Vdc到0.01F/125Vdc範圍內的產品。這兩種配置的工作溫度範圍都是從-55℃到85℃，包括所有必要的平衡電阻和走線。

針對大電流環境，德國製造商Wima提供了全係列的雙層圓柱形器件
，其工作電流額定值高達400A，脈衝電流承受能力可達1400A。Wima公司的SuperCap C係列和R係列產品由電容值在110到600F範圍內的2.7Vdc電容組成，它們的工作電流和脈衝電流額定值分別可達100A和800A。

最大和最強健的SuperCap MC係列則規定了14Vdc的工作電壓和400A的電流。該產品的重量為1.7公斤，長寬高尺寸為325x60x90mm，正負電極之間的距離是265mm，可承受高達1.4kA的脈衝電流。

其它參數包括110F±20%的電容量，內部電阻為7mΩ
，最大儲存能量為10kJ
，工作溫度範圍是-30℃到65℃
，工作壽命長達9萬小時。

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超級電容的未來

如ru前qian所suo述shu，超chao級ji電dian容rong有you望wang代dai替ti眾zhong多duo設she備bei中zhong的de可ke充chong電dian電dian池chi。這zhe種zhong演yan進jin是shi合he理li的de
，特te別bie是shi目mu前qian人ren們men對dui綠lv色se技ji術shu和he高gao性xing價jia比bi替ti代dai能neng源yuan非fei常chang渴ke求qiu。

最近超級電容製造商CAP-XX和Perpetuum正在就能量收儲解決方案展開合作
，目的是要成功創建無電池的無線傳感器狀態監視係統。在去年6月份舉行的nanoPower論壇上演講的一個案例研究就介紹了Perpetuum的PGG17振動能量收儲微型發電機如何與CAP-XX的超級電容器配合實現無電池狀態監視係統的。這些係統采集並在機器上顯示數據
，目的是改善資產管理質量。

據ju這zhe兩liang家jia公gong司si介jie紹shao，傳chuan統tong的de狀zhuang態tai監jian視shi係xi統tong需xu要yao人ren工gong的de數shu據ju采cai集ji，或huo使shi用yong電dian池chi供gong電dian的de無wu線xian傳chuan感gan器qi。據ju他ta們men宣xuan稱cheng，在zai與yu這zhe些xie係xi統tong相xiang關guan的de惡e劣lie環huan境jing中zhong
，電dian池chi可ke能neng隻zhi能neng用yong2到5年。顯而易見
，在一個可能有數千個電池供電的無線傳感器節點的工廠中，更換和處理電池的成本將非常高。

在平時工作過程中，PMG17將無用的機械振動轉換成電能，可以提供0.5mW到50mW的穩定電源。CAP-XX超級電容器儲存這些能量，然後提供在無線網絡(如IEEE802.15.4和802.11)上傳送傳感器狀態數據所需的峰值功率。

PMG17可以為間歇性無線傳感器係統(如無線HART、SP-100和Wi-Fi)提供必要的電能。然而，它的輸出阻抗太高
，無法提供傳感器節點要求的10到100秒時間長的mW級功率。高容量和低ESR的超級電容器可以解決這個問題，它可以提供約1秒的峰值功率來傳送數據。

“微型發電機和超級電容組合消除了電池的可靠性問題和耗時的維護工作，可以極大地節省操作成本和能量使用。”Perpetuum公司的技術管理人員Stephen Roberts表示。

“無線係統製造商現在可以使用這種“安裝完就可遺忘的”自發電能源輕鬆地設計出無電池的係統。”CAP-XX公司應用技術副總裁Pierre Mars指出。