如何选择合适的超级电容器 超级电容器的工作原理

作者：Roya Nikjoo 

超级电容器已成为需要高密度备用电源，循环寿命长，充电和放电时间短的情况下的流行解决方案。

但是，即使对于最有经验的工程师来说，为手头的任务选择正确的设备类型也会显得相当复杂。它需要了解广泛的技术性能特征，以及在进行过程中需要考虑的一些折衷。

在我们进一步详细讨论如何为您的应用选择合适的超级电容器之前，有必要阐明此类设备的工作原理，以及它们比其他技术（如纽扣电池）具有的优势。这些信息可以为超级电容器特别适合的各种角色提供有价值的见解。

超级电容器基础

首先，就其工作方式而言，许多超级电容器都使用所谓的双电层电容器（EDLC）布局，该布局具有两个电极，这些电极通常涂有碳基多孔材料，并被电解质隔开，而电解质本身又被尽管电池依赖于化学反应，但超级电容器的不同之处在于，它通过物理吸附和解吸电极间电解质中离子的过程非常迅速地存储和释放能量。

图1：超级电容器的内部工作原理

这些过程比电池充电中发生的化学反应要快得多。使用具有低内部电阻的超级电容器，该设备可以在几秒钟内充满电，而由于高得多的电阻，用于二次电池应用的锂纽扣电池可能需要十分钟到几小时才能充满电。而且，循环寿命没有理论上的限制，而锂离子二次电池具有约500次循环的有限寿命。

碳基材料的最新进展意味着可以将多孔电极设计为具有较大的表面积，从而获得较高的电容值和较小的外部尺寸。使用水性电解质的超级电容器具有固有的导电性，对环境的影响小，并且具有不易燃的特性，并且具有出色的性能和强大的安全性。

通常来说，它们还比有机化合物具有更强的吸湿性，从而具有更长的使用寿命和更好的稳定性（图2）。这也意味着超级电容器基本上是免维护的，而锂纽扣电池则需要更换，具体取决于特定的应用。

图2：高可靠性设计：水性和有机电解质之间的电池构造差异

就能量密度而言，超级电容器的额定功率通常为0.5至5 Wh / kg，而锂纽扣电池的额定值为30至270 Wh / kg。但是超级电容器具有更高的功率密度，使其能够在非常短的时间内提供大量能量。超级电容器在工作温度范围方面具有更大的灵活性–与更窄的参数相比，通常在-40至+85℃的温度范围内工作对于锂纽扣电池，温度范围为-20至+60℃。

这些性能特征意味着超级电容器正在发现越来越多的用例。这些包括后备电源职责，包括基于物联网的设备，智能电表或医疗设备，以及用于高级自动化的汽车电子和工业计算机等各种设备。

典型的应用包括在主系统电源切断时（例如在停电期间或在卸下主系统电池以进行更换时）接管系统的实时时钟或易失性存储器。

如何选择合适的超级电容器

因此，这些就是超级电容器的基本原理及其所扮演的某些角色。但是，如何为所需的应用选择合适的设备呢？

图3代表了一个很好的起点，因为它从较高的角度说明了一些需要考虑的初始考虑因素。例如，如果最终应用表明需要更长的备用时间，那么KEMET的FG，FY，FC，FM和FR系列的高阻抗解决方案将是最好的起点。

较短的备份时间要求低阻抗，这意味着将有一套不同的解决方案，主要是来自FA，FE，FS，FT和FM系列产品。另外，如果关键应用要求是高功率，那么非常特定的范围（例如HV系列）将提供答案。但是，从一开始，这些都是重要的考虑因素，在应用其他思考方式之前。

图3：选择性能

除了备用时间外，在选择超级电容器之前需要定义的更全面的参数列表还可能包括所需的最小和最大工作电压；工作温度 所需尺寸；和安装类型（表面或通孔）。然后，通过掌握这些细节，可以应用一个相对简单的公式来粗略计算当前任务所需的电容。

作为计算过程的一个示例，在下面的项目示例中，客户需要一个超级电容器，该超级电容器在以下条件下能够承受150小时的备用时间：