釋說芯語：超級電容，是時候重新回到聚光燈下了
從能源採集到發電廠，電力電子的應用無處不在，沒有一種應用不需要電力。從歷史看，電力電子工業變化多端，許多以前無法實現的應用用新技術都實現了。在不斷尋求提高性能、可靠性和可持續性的過程中，新的元件和技術，如寬頻隙半導體和數字電源管理，受到了廣泛的關注和報道。然而，後端的儲能元件也是非常重要的，在許多重要的應用中都不可忽略，一個重要的儲能元件就是超級電容。
超級電容，又名電化學電容，是通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同於傳統的化學電源，是一種介於傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程並不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，因此超級電容器可以反覆充放電數十萬次。
超級電容幾乎無處不在，或許是因為它們被視為技術含量低的被動元件，它們很少出現在舞台前端。現在，是時候讓他們重新回到聚光燈下了。
從歷史到現實
電解電容誕生於五十年代早期，是電子行業向前邁出的重要一步。1966年11月，標準石油公司的工程師Robert A. Rightmire獲得了「電能存儲裝置」專利，超級電容器誕生了。又過了10年，這項發明才進入市場。
由於超級電容有短時間內儲存和
由於超級電容有短時間內儲存和釋放大量能量的能力，電動汽車在研究超級電容領域取得了好成績，發明和專利的數量也直線上升。在電動汽車上最重要的應用是儲存減速和剎車時產生的能量，以便在加速時重新利用這些能量為發動機提供動力。2011年3月舊金山的清潔技術論壇上，Elon Musk這樣預測電動汽車的未來：「我認為現在是個很好的機會，不是電池，而是將來超級電容可以給電動汽車充電。」他的演講引發了人們對超級電容潛力的大量猜測，他們認為超級電容將是大規模儲能的解決方案，最終將取代電池。
超級電容電池基本上由兩個電極、一個分離器和一個電解質組成。電極由金屬集電極組成，金屬集電極是高導電部分，表面材料大多是活性材料（金屬氧化物、碳和石墨是最常用的材料）。
超級電容會不會取代電池呢？毫無疑問，納米技術的潛力讓人們對未來某個時刻超級電容的性能可能達到與電池同等的水平抱有很高的期望。如圖2所示，不同類型儲能設備的能量與功率密度的關係，目前燃料電池、電池、超級電容和常規電容的性能水平沒有重疊。然而，它們是互補的，而且最近的技術進步正在減少電池和超級電容之間的差距。
圖2：不同類型儲能裝置的能量與功率密度
最近，技術進步正在縮減電池和超級電容之間的差距。每一種技術都有其優缺點，電力設計人員在開發電力系統時都會考慮到這些優點和缺點。比較鋰離子電池和超級電容的關鍵參數可以發現，超級電容的主要好處之一是它極高的循環性，這意味著它幾乎可以充電和放電無數次，這對於電池來說是不大可能的，它的生命周期要短得多。
圖3：鋰離子電池與超級電容器關鍵參數比較
不僅僅是大功率應用
不僅僅是蘭博基尼「Terzo Millennio」採用了超級電容，讓它在這款非常特別的電動跑車的機動化過程中扮演了重要的角色。除了需要大功率的汽車應用外，超級電容還可以為包括IoT設備在內的許多應用提供持久、可靠、緊湊的備份電源。
小型超級電容器具有高循環壽命和快速充放電時間的能力，可以取代鈕扣電池，應用從IoT設備、智能儀錶或醫療設備的備用電源，到汽車電子和工業計算。典型應用包括，當主系統電源被移除，例如維護系統實時時鐘或易失性存儲器時，在斷電期間提供電力。
在這些情況下使用超級電容器有助於產品製造商讓用戶不受有限電池壽命的限制。它們還可以從PCB材料清單中消除昂貴和笨重的電池座，有利於小型焊接器件，並消除製造挑戰，例如管理電池庫存和在交付前插入電池的步驟。超級電容器的良性開路故障模式與可能導致放氣或點火的典型短路電池故障形成了鮮明對比。
電容值高達5法拉的超級電容器是小型備用電池的最具成本效益的替代品，並且根據負載類型和電流需求，可以存儲足夠的能量來為從幾秒到幾天的持續時間提供備用。
音頻放大器也可以使用一個超級電容組，它可以將峰值功率傳送到低音揚聲器。智能電錶很可能包含一個超級電容，能夠在通過GPRS模塊傳輸存儲數據時發送峰值功率。
超級電容幾乎無處不在，從上海公交實驗到僅靠超級電容供電的公交車隊，再到智能電錶和能源採集。可以肯定的是，它們維持高充放電周期的能力，使之成為私人和公共電動汽車以及港口起重機等機械積累和再利用能源的理想選擇。在許多應用中，當設計師需要峰值功率時，它們就會出現。
多芯結構和電容組
含有水電解質的超級電容器可以有效地堆疊，以在較小的殼體尺寸內實現較高的額定電壓，並且具有強粘合的密封以防止熱衝擊和機械衝擊等優點。堅固可靠的器件可以覆蓋範圍廣泛的工作電壓，從3.5V到12V。圖4顯示了這種多芯結構如何封裝在樹脂模塑封裝中。或者，外封裝可以是密封的金屬罐，端子可以是通孔或表面安裝。
圖4：堅固樹脂封裝外殼的水性電解質小型超級電容
安全是超級電容器的另一個優點，這就是為什麼在受限環境中需要備份或峰值功率時，超級電容器是首選。在惡劣或封閉環境中運行的關鍵應用嚴格按照化學和其他危險風險進行管理，減少或禁止某些類型的電池，如鋰離子電池。出於安全原因，這些應用必須有足夠長的電源備份以運行警報和安全關閉進程。在如此惡劣的環境下，傳統的電池被超級電容組所取代，其容值從幾個法拉到200法拉不等。
圖5：可以代替電池組的超級電容器組
未來極具潛力
超級電容器在各種備用電源應用中為電池提供了高性能的替代品，提供了大循環壽命，並且避免了設計者擔心電池更換或充電的任何需要。電極材料和電解質配方的改進使這些強大的器件能夠存儲更多的能量，並且更容易堆疊以提供所需的輸出電壓。最新的超級電容器以水電解質為特色，隨時準備來拯救RTC保持和NVM備份，應用遍及能源、安全、汽車和醫療市場。
隨著可再生能源需求的不斷增長以及與能源儲存有關的問題，人們對使用大量鋰離子電池的理由提出了越來越多的疑問。我們都知道這些電池的使用壽命是有限的，但是除了消耗珍貴的原材料外，它們也不容易回收，而且還會帶來環境風險。超級電容技術的發展非常快。儲能問題帶來的挑戰，很可能通過將納米技術應用在超級電容上來實現，超級電容的研究使之與鋰離子電池的差距正在縮小。
在某種程度上，超級電容正成為未來最有前途的元件。許多電源設計師已經在應用超級電容提供電力解決方案，但考慮到研究的速度之快以及人類因氣候變化而面臨的巨大挑戰，在不久的將來，超級電容有望成為現代電力解決方案的核心。
