超级电容器基础知识

目前超级电容器的趋势是更换可充电电池，为基于纳米技术的能源提供新的存储方法。与电池不同，超级电容器可在几秒钟内充电，并可承受几乎无限的充电周期。超级电容器具有比传统电容器更高的能量密度，但是比诸如物联网设备的电子产品中使用的标准电池具有更低的能量密度。

两个KEMET超级电容器的图像，FR0H224ZF（左）和FYD0H223ZF（右）

理论上可以用超级电容器替换电池，但更换整个电池组需要大量的电池。然而，随着稳步发展，超级电容器正在许多应用市场（如汽车行业）中获得关注，为网络化能源存储等新兴行业开辟了新的可能性。

什么是超级电容？

超级电容器（有时称为SC）是能够快速存储和供应高功率电力以及大量循环（高达数百万次循环）而不会显示性能衰减的电化学装置。

最简单的超级电容器主要由两个电极和插入其中的电解质组成。电荷布置在电极/电解质界面中，并且没有化学氧化还原过程。由于累积的物理过程是有限的，所以材料必须具有高表面积以累积许多电荷。

超级电容器是双层电容器，具有非常高的容量但具有低电压限制。与电容器相比，超级电容器具有更大的面积，用于存储更多电荷，电容达到法拉（F）范围，并且它们比电解电容器存储更多能量。它们具有低漏电流，适用于可在1.8V-2.5V范围内工作的许多应用。超级电容器的寿命为10-20年，但在大约8-10年后，容量可以从100％降低到80％。

由于具有低等效串联电阻（ESR），超级电容器可提供高负载电流和快速充电。微型超级电容器是类似MEMS的器件，可以承受反复弯曲，因此适用于灵活的应用。这是可穿戴设备和物联网应用的理想选择。正在开发柔性固态微超级电容器玻璃，硅和纸基板。

当向超级电容器施加电压时，在表面上产生两个单独的电荷层，其间隔距离小于传统电容器的间隔距离。这就是超级电容器通常被称为双层电容器或EDLC的原因。

超级电容器与标准电容器的比较。图片来自FairpriceElectronics，源自Maxwell

超级电容器和电池有什么区别？

电池长期以来一直是能量储存的主要形式。它们如何被电容器克服，即使是超级电容器？

首先，电池逐渐失去充电能力，而电容器几乎提供无限的充电和放电循环。

其次，与电池相比，电容器具有非常低的内阻。它们可以提供比电池更多的瞬时功率。

对于具有能量供应机制的物联网（IoT）应用，将这种强大的能量存储设备结合到芯片中的能力是必不可少的要求。超级电容器和微电池是可以满足这些需求的两种工具。

四种储能技术的功率密度和能量密度。图片来自国际科学与工程研究期刊，第4卷，第8期，2013年8月583

除了几乎所有的电动汽车之外，锂离子电池几乎为所有现代便携式电子设备供电。对于电池，充电和放电过程缓慢并且可以随时间降低电池内的化合物，导致较低的功率密度和存储容量。

超级电容器使用不同的能量存储机制。在超级电容器中，能量以静电方式存储在材料表面，不涉及化学反应。超级电容器的主要缺点是与电池相比能量密度低。而且，超级电容器材料（例如石墨烯）的成本通常超过用于制造电池的材料的成本。

超级电容器的应用

超级电容器可与安装在狭小空间内的能量收集解决方案结合使用。当它们用作峰值输出的辅助电源时，您可以减小电源的尺寸并提高整体性能。

以下是超级电容器的一些可能应用：

电源故障时存储和备份存储器数据：超级电容器可以集成到消费电子产品，IT设备和通信系统中，以保护存储器内容。相关应用程序是内部备用电源。超级电容器可以作为电池更换或短期备用电源。

电动车辆：电动车辆受到诸如低功率密度，有限的充电/放电循环，高温依赖性和延长充电时间的限制的影响。超级电容器克服了这些限制，尽管它们具有较低的能量密度和较高的成本。存储设备的组合可能是首选解决方案。与超级电容器组等高功率设备可以满足与陡峭上升加速或努力相关的峰值负载要求。此外，超级电容器可用于再生制动系统。

可再生能源的应用：在太阳能光伏应用中，有必要每3到7年更换一次电池，因为它们容易磨损。超级电容器的使用可以消除频繁维护和更换的需要。此外，能源效率是以可再生方式生产能源的关键方面，超级电容器表现出比电池更高的充电效率。

结论

超级电容器是一种新兴的能量存储技术，可以成为许多电子系统的重要组成部分。锂离子电池非常成功，但在功率密度和充电/放电循环次数方面，它们永远无法与超级电容器竞争。