【導(dǎo)讀】目前超級(jí)電容器的趨勢(shì)是更換可充電電池，為基于納米技術(shù)的能源提供新的存儲(chǔ)方法。與電池不同，超級(jí)電容器可在幾秒鐘內(nèi)充電，并可承受幾乎無(wú)限的充電周期。超級(jí)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(shè)備的電子產(chǎn)品中使用的標(biāo)準(zhǔn)電池具有更低的能量密度。
兩個(gè)KEMET超級(jí)電容器的圖像，F(xiàn)R0H224ZF（左）和FYD0H223ZF（右）
理論上可以用超級(jí)電容器替換電池，但更換整個(gè)電池組需要大量的電池。然而，隨著穩(wěn)步發(fā)展，超級(jí)電容器正在許多應(yīng)用市場(chǎng)（如汽車行業(yè)）中獲得關(guān)注，為網(wǎng)絡(luò)化能源存儲(chǔ)等新興行業(yè)開(kāi)辟了新的可能性。
什么是超級(jí)電容？
超級(jí)電容器（有時(shí)稱為SC）是能夠快速存儲(chǔ)和供應(yīng)高功率電力以及大量循環(huán)（高達(dá)數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)）而不會(huì)顯示性能衰減的電化學(xué)裝置。
最簡(jiǎn)單的超級(jí)電容器主要由兩個(gè)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(méi)有化學(xué)氧化還原過(guò)程。由于累積的物理過(guò)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(jí)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(jí)電容器具有更大的面積，用于存儲(chǔ)更多電荷，電容達(dá)到法拉（F）范圍，并且它們比電解電容器存儲(chǔ)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(yīng)用。超級(jí)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(jí)電容器可提供高負(fù)載電流和快速充電。微型超級(jí)電容器是類似MEMS的器件，可以承受反復(fù)彎曲，因此適用于靈活的應(yīng)用。這是可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。正在開(kāi)發(fā)柔性固態(tài)微超級(jí)電容器玻璃，硅和紙基板。
當(dāng)向超級(jí)電容器施加電壓時(shí)，在表面上產(chǎn)生兩個(gè)單獨(dú)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(jí)電容器通常被稱為雙層電容器或EDLC的原因。
超級(jí)電容器與標(biāo)準(zhǔn)電容器的比較。圖片來(lái)自 Fairprice Electronics，源自Maxwell
超級(jí)電容器和電池有什么區(qū)別？
電池長(zhǎng)期以來(lái)一直是能量?jī)?chǔ)存的主要形式。它們?nèi)绾伪浑娙萜骺朔词故?ldquo;超級(jí)”電容器？
首先，電池逐漸失去充電能力，而電容器幾乎提供無(wú)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(shí)功率。
對(duì)于具有能量供應(yīng)機(jī)制的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用，將這種強(qiáng)大的能量存儲(chǔ)設(shè)備結(jié)合到芯片中的能力是必不可少的要求。超級(jí)電容器和微電池是可以滿足這些需求的兩種工具。
四種儲(chǔ)能技術(shù)的功率密度和能量密度。圖片來(lái)自國(guó)際科學(xué)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(dòng)汽車之外，鋰離子電池幾乎為所有現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備供電。對(duì)于電池，充電和放電過(guò)程緩慢并且可以隨時(shí)間降低電池內(nèi)的化合物，導(dǎo)致較低的功率密度和存儲(chǔ)容量。
超級(jí)電容器使用不同的能量存儲(chǔ)機(jī)制。在超級(jí)電容器中，能量以靜電方式存儲(chǔ)在材料表面，不涉及化學(xué)反應(yīng)。超級(jí)電容器的主要缺點(diǎn)是與電池相比能量密度低。而且，超級(jí)電容器材料（例如石墨烯）的成本通常超過(guò)用于制造電池的材料的成本。
超級(jí)電容器的應(yīng)用
超級(jí)電容器可與安裝在狹小空間內(nèi)的能量收集解決方案結(jié)合使用。當(dāng)它們用作峰值輸出的輔助電源時(shí)，您可以減小電源的尺寸并提高整體性能。
以下是超級(jí)電容器的一些可能應(yīng)用：
電源故障時(shí)存儲(chǔ)和備份存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)：超級(jí)電容器可以集成到消費(fèi)電子產(chǎn)品，IT設(shè)備和通信系統(tǒng)中，以保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)容。相關(guān)應(yīng)用程序是內(nèi)部備用電源。超級(jí)電容器可以作為電池更換或短期備用電源。
電動(dòng)車輛：電動(dòng)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(zhǎng)充電時(shí)間的限制的影響。超級(jí)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(chǔ)設(shè)備的組合可能是首選解決方案。與超級(jí)電容器組等高功率設(shè)備可以滿足與陡峭上升加速或努力相關(guān)的峰值負(fù)載要求。此外，超級(jí)電容器可用于再生制動(dòng)系統(tǒng)。
可再生能源的應(yīng)用：在太陽(yáng)能光伏應(yīng)用中，有必要每3到7年更換一次電池，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀啄p。超級(jí)電容器的使用可以消除頻繁維護(hù)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(guān)鍵方面，超級(jí)電容器表現(xiàn)出比電池更高的充電效率。
結(jié)論
超級(jí)電容器是一種新興的能量存儲(chǔ)技術(shù)，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(yuǎn)無(wú)法與超級(jí)電容器競(jìng)爭(zhēng)。
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