以假亂真的充電電池——超級(jí)電容

　　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(lèi)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。

　　1　超級(jí)電容是什么？

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(chēng)值最高可達(dá)1kVdc。一般來(lái)說(shuō)，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。

　　2　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(lèi)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(lái)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。

　　雙電層電容器正如它的字面意義那樣可以解決上述問(wèn)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(wú)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)。