【導讀】目前超級電容器的趨勢是更換可充電電池，為基于納米技術的能源提供新的存儲方法。與電池不同，超級電容器可在幾秒鐘內(nèi)充電，并可承受幾乎無限的充電周期。超級電容器具有比傳統(tǒng)電容器更高的能量密度，但是比諸如物聯(lián)網(wǎng)設備的電子產(chǎn)品中使用的標準電池具有更低的能量密度。
兩個KEMET超級電容器的圖像，F(xiàn)R0H224ZF（左）和FYD0H223ZF（右）
理論上可以用超級電容器替換電池，但更換整個電池組需要大量的電池。然而，隨著穩(wěn)步發(fā)展，超級電容器正在許多應用市場（如汽車行業(yè)）中獲得關注，為網(wǎng)絡化能源存儲等新興行業(yè)開辟了新的可能性。
什么是超級電容？
超級電容器（有時稱為SC）是能夠快速存儲和供應高功率電力以及大量循環(huán)（高達數(shù)百萬次循環(huán)）而不會顯示性能衰減的電化學裝置。
最簡單的超級電容器主要由兩個電極和插入其中的電解質(zhì)組成。電荷布置在電極/電解質(zhì)界面中，并且沒有化學氧化還原過程。由于累積的物理過程是有限的，所以材料必須具有高表面積以累積許多電荷。
超級電容器是雙層電容器，具有非常高的容量但具有低電壓限制。與電容器相比，超級電容器具有更大的面積，用于存儲更多電荷，電容達到法拉（F）范圍，并且它們比電解電容器存儲更多能量。它們具有低漏電流，適用于可在1.8V - 2.5V范圍內(nèi)工作的許多應用。超級電容器的壽命為10 - 20年，但在大約8 - 10年后，容量可以從100％降低到80％。
由于具有低等效串聯(lián)電阻（ESR），超級電容器可提供高負載電流和快速充電。微型超級電容器是類似MEMS的器件，可以承受反復彎曲，因此適用于靈活的應用。這是可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)應用的理想選擇。正在開發(fā)柔性固態(tài)微超級電容器玻璃，硅和紙基板。
當向超級電容器施加電壓時，在表面上產(chǎn)生兩個單獨的電荷層，其間隔距離小于傳統(tǒng)電容器的間隔距離。這就是超級電容器通常被稱為雙層電容器或EDLC的原因。
超級電容器與標準電容器的比較。圖片來自 Fairprice Electronics，源自Maxwell
超級電容器和電池有什么區(qū)別？
電池長期以來一直是能量儲存的主要形式。它們?nèi)绾伪浑娙萜骺朔?，即使?ldquo;超級”電容器？
首先，電池逐漸失去充電能力，而電容器幾乎提供無限的充電和放電循環(huán)。
其次，與電池相比，電容器具有非常低的內(nèi)阻。它們可以提供比電池更多的瞬時功率。
對于具有能量供應機制的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用，將這種強大的能量存儲設備結合到芯片中的能力是必不可少的要求。超級電容器和微電池是可以滿足這些需求的兩種工具。
四種儲能技術的功率密度和能量密度。圖片來自國際科學與工程研究期刊，第4卷，第8期，2013年8月583
除了幾乎所有的電動汽車之外，鋰離子電池幾乎為所有現(xiàn)代便攜式電子設備供電。對于電池，充電和放電過程緩慢并且可以隨時間降低電池內(nèi)的化合物，導致較低的功率密度和存儲容量。
超級電容器使用不同的能量存儲機制。在超級電容器中，能量以靜電方式存儲在材料表面，不涉及化學反應。超級電容器的主要缺點是與電池相比能量密度低。而且，超級電容器材料（例如石墨烯）的成本通常超過用于制造電池的材料的成本。
超級電容器的應用
超級電容器可與安裝在狹小空間內(nèi)的能量收集解決方案結合使用。當它們用作峰值輸出的輔助電源時，您可以減小電源的尺寸并提高整體性能。
以下是超級電容器的一些可能應用：
電源故障時存儲和備份存儲器數(shù)據(jù)：超級電容器可以集成到消費電子產(chǎn)品，IT設備和通信系統(tǒng)中，以保護存儲器內(nèi)容。相關應用程序是內(nèi)部備用電源。超級電容器可以作為電池更換或短期備用電源。
電動車輛：電動車輛受到諸如低功率密度，有限的充電/放電循環(huán)，高溫依賴性和延長充電時間的限制的影響。超級電容器克服了這些限制，盡管它們具有較低的能量密度和較高的成本。存儲設備的組合可能是首選解決方案。與超級電容器組等高功率設備可以滿足與陡峭上升加速或努力相關的峰值負載要求。此外，超級電容器可用于再生制動系統(tǒng)。
可再生能源的應用：在太陽能光伏應用中，有必要每3到7年更換一次電池，因為它們?nèi)菀啄p。超級電容器的使用可以消除頻繁維護和更換的需要。此外，能源效率是以可再生方式生產(chǎn)能源的關鍵方面，超級電容器表現(xiàn)出比電池更高的充電效率。
結論
超級電容器是一種新興的能量存儲技術，可以成為許多電子系統(tǒng)的重要組成部分。鋰離子電池非常成功，但在功率密度和充電/放電循環(huán)次數(shù)方面，它們永遠無法與超級電容器競爭。
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