在電子元件分類中，超級(jí)電容正好定位于電容和電池之間。比起使用固態(tài)電介質(zhì)的傳統(tǒng)電容，單個(gè)超級(jí)電容可存儲(chǔ)多得多的能量。但其存儲(chǔ)容量要落后于電池。但是，當(dāng)超級(jí)電容可以儲(chǔ)存應(yīng)用所需的足夠能量時(shí)，它們就會(huì)發(fā)揮出多種優(yōu)勢(shì)，包括瞬時(shí)打開、快速充電等能力，并且不需要太復(fù)雜的充電電路。

對(duì)電子設(shè)計(jì)工程師來說，超級(jí)電容的其它重要特性包括：高能量密度和超長循環(huán)使用壽命。相對(duì)電池來說這些優(yōu)勢(shì)非常明顯。

這些特性可以滿足很多新應(yīng)用需求，這些新應(yīng)用對(duì)能量的需求就像手機(jī)一樣各不相同，在這些應(yīng)用中，使用超級(jí)電容可以延長電池壽命。在許多成熟應(yīng)用中超級(jí)電容甚至取代常規(guī)電容和電池。

超級(jí)電容基礎(chǔ)知識(shí)

常規(guī)電容使用固態(tài)電介質(zhì)來儲(chǔ)存能量，與之不同的是超級(jí)電容使用兩個(gè)電層，通常被稱為EDLC（電化學(xué)雙層電容）。在EDLC中，采用物理機(jī)制來生成電介質(zhì)功能的雙電層。充放電過程則通過正負(fù)極活性碳電極表面上的一個(gè)離子吸收層來完成。電荷在EDLC雙層的靜止分離距離非常小——在0.3至0.8納米之間。圖1顯示了充電（左）和放電（右）過程的離子活性。

圖1：雙電層電容通常將電荷存儲(chǔ)在活性炭電極中（由松下提供）。

EDLC使用薄膜活性炭中的離子遷移來存儲(chǔ)電荷。在電容的兩個(gè)電極施加電壓使電解質(zhì)中的離子遷移以試圖翻轉(zhuǎn)電極上的電荷（充電過程）。帶正電的離子移動(dòng)到負(fù)電極，而帶負(fù)電的離子移動(dòng)到正極，形成了電解質(zhì)內(nèi)的兩個(gè)電荷層：一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極。移除該電壓使離子以相反方向移動(dòng)，形成放電過程。

超級(jí)電容的電容值由它們的尺寸、幾何形狀和復(fù)合材料來確定。鋁電解質(zhì)器件的電容范圍在10-6到 10-2 F （法拉）之間。松下黃金超級(jí)電容產(chǎn)品線提供的電容值高達(dá)70F。消費(fèi)產(chǎn)品中使用的可充電電池提供更高的電容——具體高出多少取決于電池大小。

在與電池技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中，新型材料為超級(jí)電容提供了新動(dòng)力。研究人員已經(jīng)制造出與鎳氫電池能量密度相當(dāng)?shù)氖┢骷覝叵驴蛇_(dá)到85瓦時(shí)/千克。如同所有其它超級(jí)電容，他們的充電速度非常快——只有幾秒鐘或幾分鐘。

通過導(dǎo)電聚合物構(gòu)建的新器件可以增加電容容量，這源自稱為贗電容的電荷儲(chǔ)存原理，贗電容由電極上的化學(xué)還原—氧化（氧化還原）反應(yīng)產(chǎn)生。通常，所述離子是O2+。在充電過程中其中一個(gè)電極發(fā)生還原反應(yīng)，而另一電極則是氧化反應(yīng)。在放電過程中，這些反應(yīng)發(fā)生逆轉(zhuǎn)并且離子在電解質(zhì)間朝相反方向移動(dòng)。

（編者注：贗電容，或稱為法拉第準(zhǔn)電容，是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附，脫附或氧化，還原反應(yīng)，產(chǎn)生和電極充電電位有關(guān)的電容。贗電容不僅在電極表面，而且可在整個(gè)電極內(nèi)部產(chǎn)生，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積的情況下，贗電容可以是雙電層電容量的10～100倍。

目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。目前對(duì)金屬氧化物電極電化學(xué)電容器所用電極材料的研究，主要是一些過渡金屬氧化物， 如a—MnO2‘nH20、a—V205·nH20、a—RuO2·nH20、IrO2、Ni0 、H3PM ol2040‘nH20、W 03、Pb02、Co304、SrRuO3等，另外還有發(fā)展金屬的氮化物y-M~N作電極材料。金屬氧化物基電容器目前研究最為成功的電極材料主要是氧化釕， 由于貴金屬的資源有限，價(jià)格過高將限制對(duì)它的使用，對(duì)于金屬氧化物電容器的研究主要在于降低材料的成本，尋找較廉價(jià)的材料。）

雙電層電容和贗電容共同決定了超級(jí)電容的電容值。依賴于具體的電極設(shè)計(jì)和電解質(zhì)組合物，兩者的相對(duì)貢獻(xiàn)變化很大。在一些情況下，贗電容增加的電容值比雙層電板本身的電容高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

應(yīng)用領(lǐng)域

在高端能量存儲(chǔ)領(lǐng)域，超級(jí)電容可以在多個(gè)方面提升混合電動(dòng)車的效率。簡(jiǎn)單地說，目前的混合動(dòng)力汽車一般在停止時(shí)會(huì)完全關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，然后高效地利用存儲(chǔ)在超級(jí)電容中的能量再次啟動(dòng)。Maxwell Technologies 公司提供了一系列基于超級(jí)電容的模塊，容量可高達(dá)3000F。混動(dòng)汽車中的啟停應(yīng)用中已經(jīng)售出了60多萬件超級(jí)電容。

Maxwell 還為傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)了一個(gè)替代品，在一個(gè)較小的鉛酸蓄電池上面連接超級(jí)電容。這一應(yīng)用的背后概念是，在電力需求峰值時(shí)，比如啟動(dòng)汽車，降低該電池能夠產(chǎn)生的總能量。當(dāng)放電量較小并且穩(wěn)定時(shí)，電池可以持續(xù)更長的時(shí)間。麥克斯韋“混合”超級(jí)鉛酸蓄電池中的超級(jí)電容放寬了電池的能量要求。

其他元件供應(yīng)商針對(duì)不同市場(chǎng)提供其超級(jí)電容產(chǎn)品系列，包括Nichicon，AVX，村田，Cornell Dubilier和Vishay等。

根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Paumanok出版公司的報(bào)告顯示，火車、飛機(jī)和汽車（以及卡車）占據(jù)了目前全球4億美元超級(jí)電容市場(chǎng)的40％左右。運(yùn)輸類應(yīng)用包括磁懸浮列車、動(dòng)力和制動(dòng)回收系統(tǒng)、卡車升降機(jī)，以及軌道切換器。

設(shè)計(jì)工程師對(duì)超級(jí)電容在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)和通信中應(yīng)用的興趣更大。超級(jí)電容經(jīng)常用于這些產(chǎn)品中的存儲(chǔ)保護(hù)。另一種常見的應(yīng)用是內(nèi)部后備電源。超級(jí)電容既可用于替代電池，也可用作短期的冗余后備電源。

隨著智能電表部署的穩(wěn)步增加，電能和煤氣表的后備電源受到越來越多的關(guān)注，因?yàn)槿绻麟娫闯霈F(xiàn)故障，儀表很可能也無法正常工作。可充電電池是常規(guī)的設(shè)計(jì)選擇，但它們需要充電電路，這增加了設(shè)計(jì)成本，并且這種故障情況發(fā)生率相對(duì)較低，因此并不劃算。

智能電表用后備電源有兩個(gè)基本需求：（1）電源能夠瞬時(shí)打開;（2）可用于低溫工作，因?yàn)殡姳硗ǔ０惭b在室外。超級(jí)電容要非常滿足這兩個(gè)需求，因?yàn)樗鼈兎磻?yīng)迅速，允許電表發(fā)送警報(bào)，并且將狀態(tài)和使用信息傳回網(wǎng)絡(luò)。

整合一個(gè)后備超級(jí)電容的設(shè)計(jì)工作量要比設(shè)計(jì)可充電電池少一些，但同樣的充電控制器IC往往可以在兩種應(yīng)用中共用。雖然供電部分超級(jí)電容要比充電電池簡(jiǎn)單一些，但仍有一些設(shè)計(jì)陷阱需要避免。例如，使用二極管來防止反向電流將導(dǎo)致超級(jí)電容的充電閾值有所增加，增幅為二極管壓降。使用穩(wěn)壓器代替可以消除二極管壓降問題，降低充電閾值。這種策略在超級(jí)電容耗盡時(shí)也會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)槌?jí)電容需要更長的時(shí)間來充電。

電源管理IC供應(yīng)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用筆記，可以提供電源設(shè)計(jì)的最佳實(shí)踐。德州儀器的bq24640和美信公司的MAX17710就是其中的兩個(gè)案例。

其他常見的超級(jí)電容應(yīng)用是用來保護(hù)CMOS邏輯電路以及驅(qū)動(dòng)電子玩具。安全警報(bào)系統(tǒng)、不間斷電源（UPS）系統(tǒng)以及太陽能發(fā)電等。

直到最近，超級(jí)電容市場(chǎng)的主要增長點(diǎn)依然是替?zhèn)鹘y(tǒng)電容。最近，這個(gè)技術(shù)似乎正準(zhǔn)備進(jìn)入智能手機(jī)及其它需要或多或少同時(shí)執(zhí)行多個(gè)功能設(shè)備的鋰離子電池市場(chǎng)，這些設(shè)備對(duì)能量的需求各不相同。

如果能量消耗很快，鋰電池包含的總勢(shì)能將下降。換言之，對(duì)電池的瞬時(shí)高功率需求意味著這樣方式下獲取的總能量將比長時(shí)間獲取的總能量要少一些。而超級(jí)電容沒有這個(gè)限制。

超級(jí)電容還可用于太陽能電池陣列，并且還非常適合用于微型能量采集應(yīng)用中，從它的定義名稱可以得知，這類應(yīng)用不需要太多的能量存儲(chǔ)。從附近的熱量、振動(dòng)或生物來源獲取的毫瓦級(jí)能量可以驅(qū)動(dòng)用于監(jiān)視和控制電機(jī)的傳感器。例如，旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的振動(dòng)能量，首先由一個(gè)能量采集設(shè)備轉(zhuǎn)換為電能，然后再存儲(chǔ)在超級(jí)電容中。使用超級(jí)電容可以削減用于更換電池或連接到可充電電池電力線的費(fèi)用。圖2顯示了通用能量采集系統(tǒng)的方框圖。盡管超級(jí)電容理論上可能是唯一的能量來源，但目前的實(shí)際設(shè)計(jì)通常使用電池來提供長期能量，而使用超級(jí)電容來滿足峰值功率需求。Cellergy及其它供應(yīng)商為這些應(yīng)用提供了理想器件。

圖2：微能量采集設(shè)計(jì)受惠于集成超級(jí)電容

前面提到的MAX17710充電器IC可用于能量收集應(yīng)用。它集成了一個(gè)輸入升壓調(diào)壓器，可以處理低至800毫伏的充電。MAX 17710 可以采集1微瓦到100毫瓦的能量。為了保護(hù)電池/超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，它限制了輸入電源的電壓，調(diào)節(jié)或分流了多余的電力。一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），帶有3.3V和1.8V電壓選擇，用于防止過度充電。欲了解更多關(guān)于能量采集技術(shù)和產(chǎn)品的信息，請(qǐng)?jiān)L問 http：//www.mouser.com/applications/energy_harvesting/

結(jié)論

不久以前，超級(jí)電容只用在有限的應(yīng)用中，比如存儲(chǔ)保護(hù)和內(nèi)部備用電池，但在過去幾年，它的應(yīng)用領(lǐng)域已顯著拓展到混合動(dòng)力汽車、智能手機(jī)和能量采集領(lǐng)域。一些新興技術(shù)有望使超級(jí)電容具備同充電電池完全競(jìng)爭(zhēng)的能力。