未來趨勢(shì)-可充電電池將被超級(jí)電容取代
　　以開始看到這文章覺得很不可思議,電容早就出來了,，一直都沒有聽說可以當(dāng)電池用的功能,不過看了下面的內(nèi)容覺得或許有這可能吧,畢竟下面的文章學(xué)術(shù)性比較強(qiáng),看的也不是很明白, 不過電容有那么多優(yōu)點(diǎn),，我們還說很期盼的.
　　下面就一起去看看這篇文章:
　　來源：《Electronic Design》 作者：Mat Dirjish
　　超級(jí)電容以前主要用于大功率電源和大型工業(yè)與消費(fèi)類電源設(shè)備，如今在各種尺寸的產(chǎn)品、特別是便攜式設(shè)備中也找到了用武之地,。超級(jí)電容以高達(dá)數(shù)千法拉的電容值和快速充放電速率而聞名于世,。
　　由于能夠長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)大量的電能，超級(jí)電容表現(xiàn)得更像是電池而不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電容,。事實(shí)上,，隨著技術(shù)的進(jìn)步，它們將替代眾多產(chǎn)品中的可充電電池,，從計(jì)算機(jī),、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)到其它手持設(shè)備,。
　　超級(jí)電容是什么,？
　　簡(jiǎn)單地說，超級(jí)電容是一種非常大的極化電解質(zhì)電容,。這里的‘大’指的是容量,，而不是它們的物理尺寸,。
　　的確,，對(duì)于普通的電解電容來說，電容值和/或電壓值越大,，整個(gè)封裝也越大,。電解電容通常提供微法拉數(shù)量級(jí)的電容值，從約0.1uF到約1F,，其電壓標(biāo)稱值最高可達(dá)1kVdc,。一般來說，額定電壓越高,，電容值就越小,，而電容值越大，封裝也就越大,，而且工作電壓也可能會(huì)降低,。
　　這些規(guī)則基本上也適用于超級(jí)電容。超級(jí)電容的容值在1F以上,，工作電壓范圍從1.5V到160V甚至更高,。隨著電容值和電壓增加，其體積也會(huì)增加,。
　　電容值在數(shù)十法拉左右的早期超級(jí)電容是個(gè)大塊頭,，主要用于大型電源設(shè)備。具有低電壓工作能力的小體積超級(jí)電容則常用作消費(fèi)電子設(shè)備中的短期備用電源,。
　　盡管超級(jí)電容和電解電容存在很大的相似性,，但在電氣性能和物理尺寸方面也有很大的差異,。例如,，一個(gè)普通的10uF,、25Vdc額定電壓電解電容尺寸可能略小于甚至等同于1F到10F、2.7Vdc的超級(jí)電容,。隨著最近技術(shù)的進(jìn)步,，將超級(jí)電容的工作電壓提高到25Vdc時(shí)，尺寸增加不到一倍,，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合,，這樣的體積變化可能并不十分顯著。
　　剖析超級(jí)電容
　　原則上講,，人們可以將超級(jí)電容看作是一個(gè)可充電電池,。它能存儲(chǔ)與其容量成正比的電荷，并在要求放電時(shí)釋放電荷,。超級(jí)電容與電解電容的最大區(qū)別是其電子雙層架構(gòu),，它能實(shí)現(xiàn)更高的容量。

       標(biāo)準(zhǔn)電容的結(jié)構(gòu)是在兩個(gè)附屬于金屬板上的電極之間夾一層電介質(zhì)層(圖1),。根據(jù)電容類型不同,，電介質(zhì)可以是氧化鋁、四氧化鉭,、氧化鈦鋇或聚丙烯聚酯,，不同的材料決定了不同的容量和電壓特性(圖2)。電介質(zhì)的多少和極板間的距離也會(huì)影響電容量,。然而,，極板間最大允許距離限制了電介質(zhì)的數(shù)量。

       在這種單層結(jié)構(gòu)中,，增加電介質(zhì)數(shù)量來提高容量通常是可行的,，方法有三種，即增加封裝寬度和極板尺寸,、增加封裝長(zhǎng)度和增加極板距離或這兩種方法的組合,。這三種方法都將導(dǎo)致電容器的體積變大，這是增加電容容量必須做出的一種犧牲,。
　　雙電層電容器(EDLC)正如它的字面意義那樣可以解決上述問題,，它在相同的封裝內(nèi)增加了第二個(gè)電介層，這個(gè)電介層與第一層在中間隔離物的兩邊并行工作(圖3),。EDLC也采用無孔電介質(zhì),，如活性碳、碳納米管,、炭黑凝膠,，并選用導(dǎo)電聚合物，其存儲(chǔ)容量要比標(biāo)準(zhǔn)的電解材料高出許多。額外層和更高效電介材料的這種組合能使電容容量提高近4個(gè)數(shù)量級(jí),。

       不過,，電壓能力是超級(jí)電容的薄弱環(huán)節(jié)，根源在于電介質(zhì)材料,。EDLC中的電介質(zhì)特別薄,，只有納米數(shù)量級(jí)，因此能產(chǎn)生很大的表面積,，從而形成更大的容量,。但這些很薄的層不具有傳統(tǒng)電介質(zhì)理想的絕緣特性，因此要求較低的工作電壓,。
　　超級(jí)電容應(yīng)用
　　與標(biāo)準(zhǔn)電容和電池相比,，EDLC的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得它們能成為理想的替代品。這些優(yōu)點(diǎn)包括：與可重復(fù)充電電池相比充放電次數(shù)更多,，實(shí)際效率高達(dá)98%,，更低的內(nèi)部電阻，大輸出功率,，更好的熱性能,，與電池和標(biāo)準(zhǔn)電容相比有更好的安全余量。
　　與所有類型的電池不同,，EDLC沒有特殊的處理要求,，因此在整個(gè)生命周期內(nèi)都具有環(huán)境友好特性。以前又大又笨重的超級(jí)電容現(xiàn)在已經(jīng)有了各種尺寸的產(chǎn)品,，可以適合任何應(yīng)用以及幾乎任何預(yù)算,。
　　針對(duì)便攜式設(shè)備的超級(jí)電容
　　如前所述，大電容值的超級(jí)電容在物理尺寸方面不再是一個(gè)障礙,。5F以上的超級(jí)電容已經(jīng)開始應(yīng)用于許多便攜式和手持式產(chǎn)品,。在一些案例中，這些元件甚至可以代替給這些產(chǎn)品供電的電池,。
　　Tecate Group推出了具有多樣配置的多種PowerBurst品牌超級(jí)電容器,。針對(duì)通用的脈沖電源、混合電池和便攜式產(chǎn)品應(yīng)用,，徑向引線的TPL和徑向折彎的 TPLS系列雙層電容器分別具有0.5F到70F和100F到400F的容量(圖4),。這兩類器件的電壓額定值都是2.7V，工作溫度范圍是-40℃到 65℃,。TPL和TPLS系列的最大高度分別是45mm(100F)和60mm(400F),。

       CAP-XX公司專門針對(duì)便攜式市場(chǎng)推出了GS/GW系列單節(jié)和雙節(jié)超級(jí)電容器(圖5)。這些電容提供了電能有限的電池的替代品,，壽命非常長(zhǎng),，單節(jié)配置電壓為2.3V,，串聯(lián)連接的雙節(jié)電容器電壓可達(dá)4.5V。

       這兩種電容的工作溫度范圍都是-40℃到75℃,。GW系列產(chǎn)品的外形尺寸為28.5x17mm,，電壓4.5V時(shí)的電容量最高為0.4F，等效串聯(lián)電阻(ESR)低于60 mΩ,。GS系列產(chǎn)品的外形尺寸為39x17mm，電壓4.5V的電容量可達(dá)0.7F,，ESR低至34 mΩ,。
　　同樣針對(duì)緊湊空間設(shè)計(jì)但可耐更高溫度的CAP-XX公司HS和HW系列電容器具有很薄的外殼，工作溫度范圍是-40℃到85℃(圖6),。在4.5到5.5V電壓范圍內(nèi),，HW的尺寸為28.5x17mm。在5.5V電壓時(shí)的電容量可達(dá)0.4F,，ESR在 5.5V時(shí)可低至100 mΩ,。

       這些元件的厚度范圍從0.9mm到2.9mm不等。電容量可達(dá)0.7F的HS系列外形尺寸為39mmx17mm,，厚度范圍同樣為0.9mm到2.9mm,，最小ESR為55 mΩ。這兩個(gè)系列的超級(jí)電容可以處理高達(dá)20A的脈沖電流,，額定的RMS電流為4A,。
　　Kanthal Globar公司的Maxcap雙層電容器可以用來代替作為存儲(chǔ)器后備電源的電池，具有超過5.5 F/in.3的容積效率,、無限的服務(wù)壽命,、快速充放電能力和非常低的漏電流等特性(圖7)。Kanthal Globar公司還表示,，這些電容比電池更安全,，在短路時(shí)不會(huì)爆炸，也不會(huì)損壞,。這些電容器是非極化器件,，不需要限流電阻或過壓保護(hù)，因而可以消除裝配錯(cuò)誤和相關(guān)的成本,。

       Maxcap電容有徑向引線(LP,、LC、LK,、LT,、LF、LV,、LX和LJ系列)和表面貼裝(LM 系列)兩大類,。額定電壓為3.5V或5.5V,，電容值范圍從0.01F到5F和0.47F到1F與5.6F，具體取決于額定電壓值,。電路板上還有一種 5F/11V的封裝,。工作溫度范圍有兩種，一種是從-40℃到85℃,，一種是-25℃到70℃,。另外，所有的Maxcap都是小尺寸元件,，可在遠(yuǎn)端部署,，并且不要求接入端口。
　　針對(duì)大型設(shè)備的超級(jí)電容
　　雖然看起來似乎所有電子設(shè)計(jì)都在縮小尺寸,，設(shè)計(jì)師在拚命地爭(zhēng)奪每納米空間,，但仍有許多領(lǐng)域微型化既不可能也沒必要，包括汽車和運(yùn)輸,、再生能源,、軍用和航空。在這些領(lǐng)域,，通常采用更大尺寸的超級(jí)電容,。
　　Maxwell Technologies公司推出的突破性BOOSTCAP產(chǎn)品設(shè)定了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，基于其私有電極技術(shù)的產(chǎn)品可提供單節(jié)和多節(jié)模塊化配置,。
　　模塊化BOOSTCAP配置由涵蓋14個(gè)模塊的BPAK和BMOD系列組成(圖8),。根據(jù)具體的應(yīng)用，用戶可以從下列電容值/工作電壓組合中選取合適的產(chǎn)品：15Vdc下有20,、23,、52和58F；16.2Vdc下有110,、250或 500F,；48.6Vdc下有165F；75Vdc下有94F,；125Vdc下有63F,。這些模塊的外形尺寸也不等，從約178x52x32mm到超過 515x263x211mm,。目標(biāo)應(yīng)用包括工業(yè),、汽車和消費(fèi)類市場(chǎng)。

       Maxwell Technologies公司還有許多大型的具有很高容量的BOOSTCAP品牌單節(jié)電容器,，不過工作電壓比較低,。BCAP系列共5節(jié)，在2.7Vdc的工作電壓下電容值可達(dá)650,、1200,、11500,、2000和3000F(圖9)。這些電容的主要用途是與電池并行工作,，適合要求恒定低功率放電以及峰值負(fù)載下提供脈沖功率的應(yīng)用,。

       Evans Capacitor公司的3STHQ3和3PTHQ3電容組器件則主要用于任務(wù)繁重的軍事應(yīng)用，它將公司的三個(gè)THQ3混合電容集成進(jìn)了一個(gè)陽極電鍍,、環(huán)氧密封的鋁殼中,，整個(gè)尺寸為4.47×1.59×1.09英寸(圖10)。針對(duì)更高的工作電壓,，3STHQ3組可以串聯(lián)電容的方式提供以下四種產(chǎn)品：0.004 F/160 Vdc, 0.0028F/200Vdc, 0.0019F/250Vdc和0.0011F/300Vdc,。

       針對(duì)更大的容量，3PTHQ3組器件可以并聯(lián)電容的方式提供0.45F/10Vdc到0.01F/125Vdc范圍內(nèi)的產(chǎn)品,。這兩種配置的工作溫度范圍都是從-55℃到85℃，包括所有必要的平衡電阻和走線,。
　　針對(duì)大電流環(huán)境,，德國(guó)制造商Wima提供了全系列的雙層圓柱形器件，其工作電流額定值高達(dá)400A,，脈沖電流承受能力可達(dá)1400A,。Wima公司的SuperCap C系列和R系列產(chǎn)品由電容值在110到600F范圍內(nèi)的2.7Vdc電容組成，它們的工作電流和脈沖電流額定值分別可達(dá)100A和800A,。
　　最大和最強(qiáng)健的SuperCap MC系列則規(guī)定了14Vdc的工作電壓和400A的電流,。該產(chǎn)品的重量為1.7公斤，長(zhǎng)寬高尺寸為325x60x90mm,，正負(fù)電極之間的距離是265mm,，可承受高達(dá)1.4kA的脈沖電流。
　　其它參數(shù)包括110F±20%的電容量,，內(nèi)部電阻為7mΩ,，最大儲(chǔ)存能量為10kJ，工作溫度范圍是-30℃到65℃,，工作壽命長(zhǎng)達(dá)9萬小時(shí),。
　　超級(jí)電容的未來
　　如前所述，超級(jí)電容有望代替眾多設(shè)備中的可充電電池,。這種演進(jìn)是合理的,，特別是目前人們對(duì)綠色技術(shù)和高性價(jià)比替代能源非常渴求,。
　　最近超級(jí)電容制造商CAP-XX和Perpetuum正在就能量收儲(chǔ)解決方案展開合作,，目的是要成功創(chuàng)建無電池的無線傳感器狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。在去年6月份舉行的nanoPower論壇上演講的一個(gè)案例研究就介紹了Perpetuum的PGG17振動(dòng)能量收儲(chǔ)微型發(fā)電機(jī)如何與CAP-XX的超級(jí)電容器配合實(shí)現(xiàn)無電池狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的,。這些系統(tǒng)采集并在機(jī)器上顯示數(shù)據(jù),，目的是改善資產(chǎn)管理質(zhì)量,。
　　據(jù)這兩家公司介紹，傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)需要人工的數(shù)據(jù)采集,，或使用電池供電的無線傳感器,。據(jù)他們宣稱，在與這些系統(tǒng)相關(guān)的惡劣環(huán)境中,，電池可能只能用2到5年,。顯而易見，在一個(gè)可能有數(shù)千個(gè)電池供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工廠中,，更換和處理電池的成本將非常高,。
　　在平時(shí)工作過程中，PMG17將無用的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能,，可以提供0.5mW到50mW的穩(wěn)定電源,。CAP-XX超級(jí)電容器儲(chǔ)存這些能量，然后提供在無線網(wǎng)絡(luò)(如IEEE802.15.4和802.11)上傳送傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)所需的峰值功率,。
　　PMG17可以為間歇性無線傳感器系統(tǒng)(如無線HART,、SP-100和Wi-Fi)提供必要的電能。然而,，它的輸出阻抗太高,，無法提供傳感器節(jié)點(diǎn)要求的10到100秒時(shí)間長(zhǎng)的mW級(jí)功率。高容量和低ESR的超級(jí)電容器可以解決這個(gè)問題,，它可以提供約1秒的峰值功率來傳送數(shù)據(jù),。
　　“微型發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容組合消除了電池的可靠性問題和耗時(shí)的維護(hù)工作，可以極大地節(jié)省操作成本和能量使用,?！盤erpetuum公司的技術(shù)管理人員Stephen Roberts表示。
　　“無線系統(tǒng)制造商現(xiàn)在可以使用這種“安裝完就可遺忘的”自發(fā)電能源輕松地設(shè)計(jì)出無電池的系統(tǒng),?！盋AP-XX公司應(yīng)用技術(shù)副總裁Pierre Mars指出。
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　　這篇文章學(xué)術(shù)性比較強(qiáng),我也看不太明白.有些東西不做這個(gè)行業(yè)了解太多意義也不大,至于是否真的超級(jí)電容能夠代替充電電池我們就拭目以待吧