中心論題：
- 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)
- 超級(jí)電容器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
- 超級(jí)電容器的廣泛應(yīng)用
解決方案：
- 具有雙層結(jié)構(gòu)
- 具有充放電速度快、低阻抗等特點(diǎn)
- 具有廣泛的用途
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于綠色能源和生態(tài)環(huán)境越來(lái)越關(guān)注，超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件,因?yàn)槠錈o(wú)可替代的優(yōu)越性，越來(lái)越受到人們的重視。在一些需要高功率、高效率解決方案的設(shè)計(jì)中，工程師已開(kāi)始采用超級(jí)電容器來(lái)取代傳統(tǒng)的電池。
電池技術(shù)的缺陷
Li離子、NiMH等新型電池可以提供一個(gè)可靠的能量?jī)?chǔ)存方案，并且已經(jīng)在很多領(lǐng)域中廣泛使用。眾所周知，化學(xué)電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生法拉第電荷轉(zhuǎn)移來(lái)儲(chǔ)存電荷的，使用壽命較短，并且受溫度影響較大，這也同樣是采用鉛酸電池（蓄電池）的設(shè)計(jì)者所面臨的困難。同時(shí)，大電流會(huì)直接影響這些電池的壽命，因此，對(duì)于要求長(zhǎng)壽命、高可靠性的某些應(yīng)用，這些基于化學(xué)反應(yīng)的電池就顯出種種不足。
超級(jí)電容器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
超級(jí)電容器的原理并非新技術(shù)，常見(jiàn)的超級(jí)電容器大多是雙電層結(jié)構(gòu)，同電解電容器相比，這種超級(jí)電容器能量密度和功率密度都非常高。同傳統(tǒng)的電容器和二次電池相比，超級(jí)電容器儲(chǔ)存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、安全性高等特點(diǎn)。
除了可以快速充電和放電，超級(jí)電容器的另一個(gè)主要特點(diǎn)是低阻抗。所以，當(dāng)一個(gè)超級(jí)電容器被全部放電時(shí)，它將表現(xiàn)出小電阻特性，如果沒(méi)有限制，它會(huì)拽取可能的源電流。因此，必須采用恒流或恒壓充電器。
１０年前，超級(jí)電容器每年只能賣(mài)出去很少的數(shù)量，而且價(jià)格很貴，大約１～２美元／法拉，現(xiàn)在，超級(jí)電容器已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品大批量供應(yīng)市場(chǎng)，價(jià)格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。在最近幾年中，超級(jí)電容器已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入很多應(yīng)用領(lǐng)域，如消費(fèi)電子、工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域。
圖1 超級(jí)電容器循環(huán)壽命長(zhǎng)，具有很高的功率密度、安全性和效率
超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)
雖然，目前全球已有許多家超級(jí)電容器生產(chǎn)商，可以提供許多種類(lèi)的超級(jí)電容器產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結(jié)構(gòu)，超級(jí)電容器在結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似，它們的主要區(qū)別在于電極材料，如圖2所示。
圖2 在結(jié)構(gòu)上，超級(jí)電容器和電池或電解電容器的主要區(qū)別是電極材料
早期的超級(jí)電容器的電極采用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級(jí)電容器的容值可以非常大，大多數(shù)超級(jí)電容器可以做到法拉級(jí)，一般容值范圍為1～5000F。
使用超級(jí)電容器
超級(jí)電容器具有廣泛的用途。與燃料電池等高能量密度的物質(zhì)相結(jié)合，超級(jí)電容器能提供快速的能量釋放，滿(mǎn)足高功率需求，從而使燃料電池可以?xún)H作為能量源使用。目前，超級(jí)電容器的能量密度可高達(dá)20kW/kg，已經(jīng)開(kāi)始搶占傳統(tǒng)電容器和電池之間的這部分市場(chǎng)。
在那些要求高可靠性而對(duì)能量要求不高的應(yīng)用中，可以用超級(jí)電容器來(lái)取代電池，也可以將超級(jí)電容器和電池結(jié)合起來(lái)應(yīng)用在對(duì)能量要求很高的場(chǎng)合，從而可以采用體積更小、更經(jīng)濟(jì)的電池。
超級(jí)電容器的ESR值很低，從而可以輸出大電流，也可以快速吸收大電流。同化學(xué)充電原理相比，超級(jí)電容器的工作原理使這種產(chǎn)品的性能更穩(wěn)定，因此，超級(jí)電容器的使用壽命更長(zhǎng)。對(duì)于像電動(dòng)工具和玩具這種需要快速充電的設(shè)備來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容器無(wú)疑是一個(gè)很理想的電源。
一些產(chǎn)品適合采用電池／超級(jí)電容器的混合系統(tǒng)，超級(jí)電容器的使用可以避免為了獲得更多的能量而使用大體積的電池。如消費(fèi)電子產(chǎn)品中的數(shù)碼相機(jī)就是一個(gè)例子，超級(jí)電容器的使用使數(shù)碼相機(jī)可以采用便宜的堿性電池（而不是使用昂貴的Li離子電池）。
超級(jí)電容器單元（cell）的額定電壓范圍為２.5～2.7V,因此，很多應(yīng)用需要使用多個(gè)超級(jí)電容器單元。當(dāng)串聯(lián)這些單元時(shí)，設(shè)計(jì)工程師需要考慮單元之間的平衡和充電情況。
任何超級(jí)電容器都會(huì)在通電的情況下，通過(guò)內(nèi)部并聯(lián)電阻放電，這個(gè)放電電流就稱(chēng)為漏電流，它會(huì)影響超級(jí)電容器單元的自放電。同某些二級(jí)電池技術(shù)相似，超級(jí)電容器的電壓在串聯(lián)使用時(shí)需要平衡，因?yàn)榇嬖诼╇娏鳎瑑?nèi)部并聯(lián)電阻的大小將決定串聯(lián)的超級(jí)電容器單元上的電壓分配。當(dāng)超級(jí)電容器上的電壓穩(wěn)定后，各個(gè)單元上的電壓將隨著漏電流的不同而發(fā)生變化，而不是隨著容值不同而變化。漏電流越大，額定電壓越小，反之，漏電流小，額定電壓高。這是因?yàn)椋╇娏鲿?huì)造成超級(jí)電容器單元放電，使電壓降低，而這個(gè)電壓會(huì)隨后影響和它串聯(lián)在一起的其他單元的電壓（這里假定這些串連的單元都使用同一個(gè)恒定電壓供電）。
為了補(bǔ)償漏電流的變化，常采用的方法是，在每一個(gè)單元旁邊并聯(lián)一個(gè)電阻，來(lái)控制整個(gè)單元的漏電流。這種方法有效地降低了各單元之間相應(yīng)并聯(lián)電阻的變化。
另一個(gè)推薦使用的方法是主動(dòng)單元平衡法（active cell-balancing），采用這種方法，每一個(gè)單元都會(huì)被主動(dòng)監(jiān)視，當(dāng)有電壓變化時(shí)，即進(jìn)行互相平衡。這種方法可以降低單元上的任何額外負(fù)載，使工作效率更高。
如果電壓超過(guò)單元的額定電壓，將會(huì)縮短單元的使用壽命。對(duì)于高可靠性超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)，如何維持電壓在要求的范圍內(nèi)是關(guān)鍵的一點(diǎn)，必須控制充電電壓，以保證它不能超過(guò)每個(gè)單元的額定電壓。
