超級(jí)電容器進(jìn)展

超級(jí)電容器進(jìn)展

在不超過(guò)10年的發(fā)展時(shí)間里，超級(jí)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(shí)鐘電壓保持）設(shè)計(jì)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(shí)用階段為混合動(dòng)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(jí)電容器。

這種新一代脈沖超級(jí)電容器具有極低ESR的特點(diǎn)，使得它們可以滿足對(duì)鋰離子電池或標(biāo)準(zhǔn)AA、AAA電池進(jìn)行涓流充電時(shí)，設(shè)備工作所需要的瞬時(shí)峰值電流。低厚度的設(shè)計(jì)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸卡和高密度數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等對(duì)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(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。

超級(jí)電容器正如它的名字一樣，可以存儲(chǔ)大量的電荷。標(biāo)準(zhǔn)電容器通過(guò)極板間的電介質(zhì)存儲(chǔ)電荷。由于電介質(zhì)內(nèi)的偶極子排列，電場(chǎng)的建立可以通過(guò)極板的電壓測(cè)得。極板所能保持的電荷越多，電容量就越高，能量存儲(chǔ)可以通過(guò)公式1/2(C×V2)來(lái)計(jì)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(jí)電容器也可以產(chǎn)生同樣的結(jié)果，但它卻是通過(guò)電荷的大量游離和運(yùn)動(dòng)，而不是通過(guò)介電質(zhì)的偶極子排列來(lái)存儲(chǔ)能量。這種移動(dòng)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(jí)電容器之中能夠存儲(chǔ)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(chǔ)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(kāi)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(duì)于超級(jí)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(chǔ)電能和放電特征，而新材料的開(kāi)發(fā)已經(jīng)使低ESR器件成為瞬時(shí)放電應(yīng)用的理想器件。

當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)電容器中計(jì)算偶極子排列所存儲(chǔ)的能量時(shí)，通常會(huì)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(lái)傳遞信號(hào)，這就使極板帶有交流電壓。問(wèn)題是偶極子的振動(dòng)怎樣能夠很好地跟得上傳過(guò)來(lái)的信號(hào)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(duì)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?yàn)樵?00kHz時(shí)，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(gè)頻率范圍，雖然電容量相比要低，但ESR會(huì)更低（大約100μF/5mΩ）。同時(shí)，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(duì)于光學(xué)系統(tǒng)，單層器件可以接近10GHz的響應(yīng)。

同樣，超級(jí)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(lái)開(kāi)發(fā)更高表面積的炭疊層）所具有的優(yōu)點(diǎn)，而最近幾年許多令人激動(dòng)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(diǎn)：
● 非常高的直流電容：容量在50mF～1F；
● 非常長(zhǎng)的電容保持時(shí)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(zhǎng)的生命周期：深度充放電循環(huán)測(cè)試高達(dá)一千萬(wàn)次（或者持續(xù)測(cè)試8個(gè)月）也沒(méi)有顯示出對(duì)這些電容有任何大的影響。

脈沖超級(jí)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(jí)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(hào)，厚度范圍是2.0mm～6.0mm。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了小尺寸（20mm×15mm）的型號(hào)，更加微小尺寸（15mm×12mm）的型號(hào)也正在開(kāi)發(fā)中（見(jiàn)圖1）。這些超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)是非常堅(jiān)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(wú)有機(jī)溶劑的水溶性材料制造，這些相同的單元部件會(huì)構(gòu)成單元陣列。由于采用實(shí)體封裝和相同的結(jié)構(gòu)，可以承受超過(guò)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(jí)電容器的電學(xué)特征加上它們的小型化，是數(shù)字無(wú)線應(yīng)用的理想選擇。一個(gè)主要的無(wú)線應(yīng)用就是具有PCMCIA或USB接口的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸卡。在這些設(shè)備中，超級(jí)電容器提供了必須的瞬時(shí)放電能量來(lái)支持當(dāng)筆記本或PDA鋰離子電池處于涓流充電狀態(tài)時(shí)，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(zhǎng)電池壽命2～3倍）工作范圍還寬的瞬時(shí)電流，所以能夠改善許多設(shè)備的效率，大量的高功率無(wú)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(jí)電容

無(wú)線傳輸中的一個(gè)重要問(wèn)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(shí)，許多具有很高直流電容的超級(jí)電容器都會(huì)受到電容量維持效率的影響。有些超級(jí)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(wú)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(jí)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(jí)電路（如LDO等）。

超級(jí)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(diǎn)貨設(shè)備，或者包裹檢測(cè)器等。這些設(shè)備的工作環(huán)境溫度范圍非常寬，而且還會(huì)受到?jīng)_擊和震動(dòng)，有時(shí)還會(huì)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(huì)不會(huì)摔壞，更重要的是會(huì)不會(huì)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(guò)將超級(jí)電容器牢固地焊接在電路中，就不會(huì)在工作過(guò)程中由于嚴(yán)重的沖擊而出現(xiàn)電源中斷的情況。

堅(jiān)固的等級(jí)和電氣特征表明這些超級(jí)電容器可以支持許多需要瞬時(shí)功率電流并使用電池的“工業(yè)級(jí)”應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程安裝和自動(dòng)閥門的無(wú)線控制、自動(dòng)計(jì)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(yáng)能電池。

另一種正在出現(xiàn)的應(yīng)用是無(wú)須電池供電的設(shè)備。在大多數(shù)系統(tǒng)中，當(dāng)超級(jí)電容器作為輔助能源設(shè)備時(shí)，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(yáng)能電池）。而從壓力到感應(yīng)器件，它們可以通過(guò)多種振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)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(dòng)的系統(tǒng)中，而且能夠提供輸出電壓給儲(chǔ)能設(shè)備。在這些應(yīng)用中，質(zhì)子薄膜也具有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)也不需要平衡電阻。

正如前面所討論的，在電容器中存儲(chǔ)的能量是電壓平方的函數(shù)。在所有設(shè)計(jì)用來(lái)存儲(chǔ)能量的系統(tǒng)中，更高的電壓可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。這樣系統(tǒng)中的電容器具有兩個(gè)功能：
1 存儲(chǔ)收集到的能量并提供電流給任何遠(yuǎn)程設(shè)備。
2 在無(wú)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(jí)電容從近10年前問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)走了很長(zhǎng)的路，從消費(fèi)類應(yīng)用到遠(yuǎn)程工業(yè)系統(tǒng)。下一個(gè)10年，它們將會(huì)是普遍使用的電介質(zhì)類型器件。