法拉电容将替代可充电电池

超级电容将替代可充电电池
中心议题：

• 超级电容的构造
• 超级电容的应用
• 超级电容的发展趋势

发展前景：

• 5F以上超级电容可应用于便携式和手持式产品
• 大型设备的超级电容提供更高达3000F的容量
• 微型发电机和超级电容组合可替代电池

超级电容以前主要用于大功率电源和大型工业与消费类电源设备，如今在各种尺寸的产品、特别是便携式设备中也找到了用武之地。超级电容以高达数千法拉的电容值和快速充放电速率而闻名于世。

由于能够长时间存储大量的电能，超级电容表现得更像是电池而不是一个标准电容。事实上，随着技术的进步，它们将替代众多产品中的可充电电池，从计算机、数码相机、手机到其它手持设备。

超级电容是什么？
简单地说，超级电容是一种非常大的极化电解质电容。这里的‘大’指的是容量，而不是它们的物理尺寸。

的确，对于普通的电解电容来说，电容值和/或电压值越大，整个封装也越大。电解电容通常提供微法拉数量级的电容值，从约0.1uF到约1F，其电压标称值最高可达1kVdc。一般来说，额定电压越高，电容值就越小，而电容值越大，封装也就越大，而且工作电压也可能会降低。

这些规则基本上也适用于超级电容。超级电容的容值在1F以上，工作电压范围从1.5V到160V甚至更高。随着电容值和电压增加，其体积也会增加。

电容值在数十法拉左右的早期超级电容是个大块头，主要用于大型电源设备。具有低电压工作能力的小体积超级电容则常用作消费电子设备中的短期备用电源。

尽管超级电容和电解电容存在很大的相似性，但在电气性能和物理尺寸方面有很大的差异。例如，一个普通的10uF、25Vdc额定电压电解电容尺寸可能略小于甚至等同于1F到10F、2.7Vdc的超级电容。随着技术的进步，将超级电容的工作电压提高到25Vdc时，尺寸增加不到一倍，根据具体应用场合这样的体积变化可能并不十分显著。

剖析超级电容

原则上讲，人们可以将超级电容看作是一个可充电电池。它能存储与其容量成正比的电荷，并在要求放电时释放电荷。超级电容与电解电容的最大区别是其电子双层架构，它能实现更高的容量。

 
标准电容的结构是在两个附属于金属板上的电极之间夹一层电介质层(图1)。根据电容类型不同，电介质可以是氧化铝、四氧化钽、氧化钛钡或聚丙烯聚酯，不同的材料决定了不同的容量和电压特性(图2)。电介质的多少和极板间的距离也会影响电容量。然而，极板间最大允许距离限制了电介质的数量。

 
在这种单层结构中，增加电介质数量来提高容量通常是可行的，方法有三种，即增加封装宽度和极板尺寸、增加封装长度和增加极板距离或这两种方法的组合。这三种方法都将导致电容器的体积变大，这是增加电容容量必须做出的一种牺牲。

双电层电容器(EDLC)正如它的字面意义那样可以解决上述问题，它在相同的封装内增加了第二个电介层，这个电介层与第一层在中间隔离物的两边并行工作(图3)。EDLC也采用无孔电介质，如活性碳、碳纳米管、炭黑凝胶，并选用导电聚合物，其存储容量要比标准的电解材料高出许多。额外层和更高效电介材料的这种组合能使电容容量提高近4个数量级。

 
不过，电压能力是超级电容的薄弱环节，根源在于电介质材料。EDLC中的电介质特别薄，只有纳米数量级，因此能产生很大的表面积，从而形成更大的容量。但这些很薄的层不具有传统电介质理想的绝缘特性，因此要求较低的工作电压。

超级电容应用

与标准电容和电池相比，EDLC的多个优点使得它们能成为理想的替代品。这些优点包括：与可重复充电电池相比充放电次数更多，实际效率高达98%，更低的内部电阻，大输出功率，更好的热性能，与电池和标准电容相比有更好的安全余量。

与所有类型的电池不同，EDLC没有特殊的处理要求，因此在整个生命周期内都具有环境友好特性。以前又大又笨重的超级电容现在已经有了各种尺寸的产品，可以适合任何应用以及几乎任何预算。
针对便携式设备的超级电容

如前所述，大电容值的超级电容在物理尺寸方面不再是一个障碍。5F以上的超级电容已经开始应用于许多便携式和手持式产品。在一些案例中，这些元件甚至可以代替给这些产品供电的电池。

针对通用的脉冲电源、混合电池和便携式产品应用，径向引线的TPL和径向折弯的TPLS系列双层电容器分别具有0.5F到70F和100F到400F的容量(图4)。这两类器件的电压额定值都是2.7V，工作温度范围是-40℃到65℃。TPL和TPLS系列的最大高度分别是45mm(100F)和60mm(400F)。


超级电容的未来

如前所述，超级电容有望代替众多设备中的可充电电池。这种演进是合理的，特别是目前人们对绿色技术和高性价比替代能源非常渴求。

最近超级电容制造商CAP-XX和Perpetuum正在就能量收储解决方案展开合作，目的是要成功创建无电池的无线传感器状态监视系统。在去年6月份举行的nanoPower论坛上演讲的一个案例研究就介绍了Perpetuum的PGG17振动能量收储微型发电机如何与CAP-XX的超级电容器配合实现无电池状态监视系统的。这些系统采集并在机器上显示数据，目的是改善资产管理质量。

据这两家公司介绍，传统的状态监视系统需要人工的数据采集，或使用电池供电的无线传感器。据他们宣称，在与这些系统相关的恶劣环境中，电池可能只能用2到5年。显而易见，在一个可能有数千个电池供电的无线传感器节点的工厂中，更换和处理电池的成本将非常高。

在平时工作过程中，PMG17将无用的机械振动转换成电能，可以提供0.5mW到50mW的稳定电源。CAP-XX超级电容器储存这些能量，然后提供在无线网络(如IEEE802.15.4和802.11)上传送传感器状态数据所需的峰值功率。

PMG17可以为间歇性无线传感器系统(如无线HART、SP-100和Wi-Fi)提供必要的电能。然而，它的输出阻抗太高，无法提供传感器节点要求的10到100秒时间长的mW级功率。高容量和低ESR的超级电容器可以解决这个问题，它可以提供约1秒的峰值功率来传送数据。

“微型发电机和超级电容组合消除了电池的可靠性问题和耗时的维护工作，可以极大地节省操作成本和能量使用。”Perpetuum公司的技术管理人员StephenRoberts表示。

“无线系统制造商现在可以使用这种“安装完就可遗忘的”自发电能源轻松地设计出无电池的系统。”CAP-XX公司应用技术副总裁PierreMars指出。