超級電容器進(jìn)展

在不超過10年的發(fā)展時間里，超級電容器已經(jīng)很成熟了，這種可以貯藏高電荷能量的電化學(xué)器件從最初只為直流應(yīng)用（例如，微波爐或VCR中的時鐘電壓保持）設(shè)計的大容量、低耐壓圓柱形器件發(fā)展到目前的兩大分支：處于實用階段為混合動力汽車提供電力，并具有很高耐壓和法拉容量的電容器和新型小體積、低高度的柱形脈沖超級電容器。

這種新一代脈沖超級電容器具有極低ESR的特點，使得它們可以滿足對鋰離子電池或標(biāo)準(zhǔn)AA、AAA電池進(jìn)行涓流充電時，設(shè)備工作所需要的瞬時峰值電流。低厚度的設(shè)計也使得它們可以被使用在小型電路卡組件（Circuit Card Assembly，CCA）中，并能夠滿足如便攜設(shè)備中無線數(shù)據(jù)傳輸卡和高密度數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等對電源的需求。在這些應(yīng)用中，常需要提供大約主電池輸出電流兩倍的峰值能量以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。

超級電容器正如它的名字一樣，可以存儲大量的電荷。標(biāo)準(zhǔn)電容器通過極板間的電介質(zhì)存儲電荷。由于電介質(zhì)內(nèi)的偶極子排列，電場的建立可以通過極板的電壓測得。極板所能保持的電荷越多，電容量就越高，能量存儲可以通過公式1/2(C×V2)來計算。此處，C為以法拉為單位的電容，V為以伏特為單位的極板電壓。超級電容器也可以產(chǎn)生同樣的結(jié)果，但它卻是通過電荷的大量游離和運動，而不是通過介電質(zhì)的偶極子排列來存儲能量。這種移動相反電荷到分離器不同側(cè)的機(jī)制是自然界中的電化學(xué)現(xiàn)象，與電池原理非常相似。能量在標(biāo)準(zhǔn)電容器或超級電容器之中能夠存儲多久將取決于電容器內(nèi)部的漏電流（如偶極子的釋放或電荷的重組），存儲的能量能夠被釋放得多快取決于器件的內(nèi)部電阻。

標(biāo)準(zhǔn)電容器技術(shù)的研究正集中于新型材料的開發(fā)以期改善介電常數(shù)、介電質(zhì)漏電流、內(nèi)部電阻和耐壓能力。同樣，對于超級電容器而言，最初的產(chǎn)品是基于高內(nèi)阻的機(jī)電系統(tǒng)，并具有“類電池”的存儲電能和放電特征，而新材料的開發(fā)已經(jīng)使低ESR器件成為瞬時放電應(yīng)用的理想器件。

當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)電容器中計算偶極子排列所存儲的能量時，通常會假定其是純粹的直流應(yīng)用環(huán)境。但在大多數(shù)應(yīng)用中，需要電容器來傳遞信號，這就使極板帶有交流電壓。問題是偶極子的振動怎樣能夠很好地跟得上傳過來的信號頻率并不失真呢？或者哪種類型的標(biāo)準(zhǔn)電容器能夠適合對應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境？例如，耐壓6V，容量高達(dá)2200μF，ESR小于50mΩ的鉭電容在100kHz～1MHz范圍內(nèi)都有很好的頻率響應(yīng)。這是因為在100kHz時，電容量保持率很高（大約90%），是SMPS器件寬范圍濾波要求的理想選擇。陶瓷II型材料也適合這個頻率范圍，雖然電容量相比要低，但ESR會更低（大約100μF/5mΩ）。同時，陶瓷I型電介質(zhì)有非常高的工作頻率，特別適合射頻應(yīng)用。對于光學(xué)系統(tǒng)，單層器件可以接近10GHz的響應(yīng)。

同樣，超級電容器技術(shù)也正在發(fā)展以用于更加廣泛的領(lǐng)域。這得益于納米技術(shù)（可以用來開發(fā)更高表面積的炭疊層）所具有的優(yōu)點，而最近幾年許多令人激動的成果之一就是分離系統(tǒng)中的“質(zhì)子聚合膜”被引入了電容器制造領(lǐng)域。這種技術(shù)有如下優(yōu)點：
● 非常高的直流電容：容量在50mF～1F；
● 非常長的電容保持時間：以毫秒為單位的脈沖間隔；
● 非常寬的工作電壓：3.6～15V，甚至更寬；
● 非常低的ESR：20～300mΩ；
● 非常低的漏電流：2～5μA；
● 非常長的生命周期：深度充放電循環(huán)測試高達(dá)一千萬次（或者持續(xù)測試8個月）也沒有顯示出對這些電容有任何大的影響。

脈沖超級電容器的封裝也在不斷發(fā)展，主要朝向小占板面積和低高度方向。例如，AVX的BestCap®系列超級電容器大約8年前就面市了，包括了具有標(biāo)準(zhǔn)28mm×17mm尺寸和48mm×30mm大尺寸的型號，厚度范圍是2.0mm～6.0mm。目前，已經(jīng)開發(fā)出了小尺寸（20mm×15mm）的型號，更加微小尺寸（15mm×12mm）的型號也正在開發(fā)中（見圖1）。這些超級電容的結(jié)構(gòu)是非常堅固的，具有精密鋼質(zhì)外殼。所有內(nèi)部單元部件都采用環(huán)保材料、無有機(jī)溶劑的水溶性材料制造，這些相同的單元部件會構(gòu)成單元陣列。由于采用實體封裝和相同的結(jié)構(gòu)，可以承受超過1000g的重力加速度沖擊，而且這些內(nèi)部單元的工作溫度范圍是-40～+75℃。

超級電容器的電學(xué)特征加上它們的小型化，是數(shù)字無線應(yīng)用的理想選擇。一個主要的無線應(yīng)用就是具有PCMCIA或USB接口的無線數(shù)據(jù)傳輸卡。在這些設(shè)備中，超級電容器提供了必須的瞬時放電能量來支持當(dāng)筆記本或PDA鋰離子電池處于涓流充電狀態(tài)時，GPRS和EGDE數(shù)據(jù)傳輸所需要的電流。由于它們可以支持比主電池（能夠延長電池壽命2～3倍）工作范圍還寬的瞬時電流，所以能夠改善許多設(shè)備的效率，大量的高功率無線數(shù)據(jù)卡都從中受益，如遠(yuǎn)程光學(xué)掃描器。

圖1 超小型超級電容

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無線傳輸中的一個重要問題是在傳輸脈沖速率下的電容量效率。當(dāng)傳輸脈沖速率和（或）占空比周期增加時，許多具有很高直流電容的超級電容器都會受到電容量維持效率的影響。有些超級電容器所用的質(zhì)子薄膜系統(tǒng)提供了很高的電容量效率，這就使高占空比的無線傳輸（例如，GPRS-8到GPRS-10）能夠使用更低直流容量的電容（這也降低了設(shè)備涓流充電的能量裕量）。此外，這些應(yīng)用中電容器的額定耐壓范圍（3.6～5.5V）表明，脈沖超級電容器可以用在GSM芯片（耐壓3.5V）、鋰離子電池（耐壓4.5V），或者DC/DC轉(zhuǎn)換器（5.5V）中。5.5V電壓的使用可以省掉額外的電路，或者其他次級電路（如LDO等）。

超級電容器可以被用在相當(dāng)苛刻環(huán)境中工作的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備上，例如，點貨設(shè)備，或者包裹檢測器等。這些設(shè)備的工作環(huán)境溫度范圍非常寬，而且還會受到?jīng)_擊和震動，有時還會發(fā)生落地的情況。而人們主要關(guān)心的不僅僅是設(shè)備會不會摔壞，更重要的是會不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。在只依靠電池工作的設(shè)備中，“電池接觸聲”的出現(xiàn)可能預(yù)示著一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失了，通過將超級電容器牢固地焊接在電路中，就不會在工作過程中由于嚴(yán)重的沖擊而出現(xiàn)電源中斷的情況。

堅固的等級和電氣特征表明這些超級電容器可以支持許多需要瞬時功率電流并使用電池的“工業(yè)級”應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程安裝和自動閥門的無線控制、自動計量系統(tǒng)、遠(yuǎn)程射頻標(biāo)簽（RFID）閱讀器和遠(yuǎn)程安保系統(tǒng)等。在這樣的系統(tǒng)中，主要的供電電源可能不是普通電池，而很可能是太陽能電池。

另一種正在出現(xiàn)的應(yīng)用是無須電池供電的設(shè)備。在大多數(shù)系統(tǒng)中，當(dāng)超級電容器作為輔助能源設(shè)備時，如果只需要涓流充電，那么就有可能不需要主電源（或者太陽能電池）。而從壓力到感應(yīng)器件，它們可以通過多種振動和運動方式產(chǎn)生能量。新的能量采集系統(tǒng)已經(jīng)可以用在任何有機(jī)械振動的系統(tǒng)中，而且能夠提供輸出電壓給儲能設(shè)備。在這些應(yīng)用中，質(zhì)子薄膜也具有另外一個優(yōu)點，即更高的額定耐壓，7～15V中的任何值都能達(dá)到，而與其他類型的超級電容器串聯(lián)使用時也不需要平衡電阻。

正如前面所討論的，在電容器中存儲的能量是電壓平方的函數(shù)。在所有設(shè)計用來存儲能量的系統(tǒng)中，更高的電壓可以實現(xiàn)更高的效率。這樣系統(tǒng)中的電容器具有兩個功能：
1 存儲收集到的能量并提供電流給任何遠(yuǎn)程設(shè)備。
2 在無線設(shè)備中，高電容量的維持是質(zhì)子薄膜技術(shù)為系統(tǒng)提高效率的另一種途徑。

脈沖超級電容從近10年前問世以來，已經(jīng)走了很長的路，從消費類應(yīng)用到遠(yuǎn)程工業(yè)系統(tǒng)。下一個10年，它們將會是普遍使用的電介質(zhì)類型器件。