憑借包括高循環(huán)壽命和快速充電和放電時(shí)間在內(nèi)的功能，小電池超級(jí)電容器可以將紐扣型電池從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能電表或醫(yī)療設(shè)備、汽車電子和工業(yè)計(jì)算等設(shè)備的備用電源中取代。典型應(yīng)用包括在主系統(tǒng)電源被移除時(shí)維護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘或易失性存儲(chǔ)器，例如在斷電期間或當(dāng)主系統(tǒng)電池被移除以進(jìn)行更換時(shí)。

在這些情況下使用超級(jí)電容器使產(chǎn)品制造商能夠讓用戶擺脫有限電池壽命的限制。它們還可以從 PCB 材料清單中消除昂貴且笨重的電池座，有利于小型焊接設(shè)備，并消除制造挑戰(zhàn)，例如管理電池保質(zhì)期和在運(yùn)輸前插入電池。超級(jí)電容器的良性開路故障模式與可能導(dǎo)致放氣或點(diǎn)火的典型短路電池故障形成對比。

電容值高達(dá) 5 法拉的超級(jí)電容器是小型備用電池的最具成本效益的替代品，并且可以存儲(chǔ)足夠的能量，根據(jù)負(fù)載類型和電流需求提供持續(xù)時(shí)間從幾秒到幾天不等的備用電源。

海角下的一瞥

超級(jí)電容器，也稱為雙電層電容器 （EDLC），由兩個(gè)電極組成，兩個(gè)電極涂有多孔材料，通常是碳基材料，由電解質(zhì)隔開，而電解質(zhì)本身又被隔膜隔開。

與電池不同，超級(jí)電容器通過物理吸附和解吸電極之間的電解質(zhì)中的離子來快速存儲(chǔ)和釋放能量。這些過程比電池充電中涉及的化學(xué)反應(yīng)快得多。鑒于超級(jí)電容器的低內(nèi)阻，該設(shè)備可以在幾秒鐘內(nèi)充滿電，而二次電池可能需要 10 分鐘到幾個(gè)小時(shí)才能充滿電。此外，循環(huán)壽命沒有理論上的限制，而鋰離子二次電池的壽命有限，約為 500 次循環(huán)。

碳基材料的現(xiàn)代進(jìn)步使多孔電極具有大表面積，從而產(chǎn)生高電容值和小外部尺寸。

電解質(zhì)對器件性能也有重要影響，通常是有機(jī)化合物或水溶液。水性電解質(zhì)具有高導(dǎo)電性、低環(huán)境影響且不易燃，具有強(qiáng)大的性能和安全性。與有機(jī)化合物相比，它們通常還具有更高的抗吸濕性，從而具有更長的使用壽命和更好的穩(wěn)定性。

對于所有設(shè)備類型，電解質(zhì)特性決定了整個(gè)超級(jí)電容器的端電壓。充滿電后的電壓通常低于 3V。

構(gòu)建小電池超級(jí)電容器的傳統(tǒng)方法與紐扣電池相當(dāng)，包括通過型鍛連接的下部和上部金屬外殼，并包圍碳電極和有機(jī)電解質(zhì)。盡管內(nèi)部墊圈有助于密封，但電解質(zhì)會(huì)在相對較短的使用壽命內(nèi)變干，并且熱沖擊會(huì)損害結(jié)構(gòu)完整性。

沒有普通的超級(jí)電容

KEMET 的小電池超級(jí)電容器采用高強(qiáng)度硫化橡膠粘合劑，可確保防止液體泄漏的高度安全性。圖 1 的橫截面顯示了這些超級(jí)電容器是如何構(gòu)造的，包括水性電解質(zhì)、橡膠電極和隔膜。

圖 1. 帶有水性電解質(zhì)的小電池超級(jí)電容器

為了獲得高于單個(gè)電池基極電壓的所需輸出電壓，需要串聯(lián)幾個(gè)電池。例如，硬幣型超級(jí)電容器通常堆疊在外部罐內(nèi)或熱縮材料管內(nèi)，并且電極連接到上表面和下表面。

含有水性電解質(zhì)的超級(jí)電容器可以有效堆疊，以在更小的外殼尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的額定電壓，并具有強(qiáng)粘合密封以防止熱沖擊和機(jī)械沖擊的額外優(yōu)勢。堅(jiān)固可靠的設(shè)備可以覆蓋從 3.5V 到 12V 的廣泛工作電壓。 顯示了如何將這種多電池結(jié)構(gòu)封裝在樹脂模制封裝中。或者，外包裝可以是密封的金屬罐，終端可以是通孔或表面貼裝。

在現(xiàn)實(shí)世界

除了擁有特殊的能力和 aka——就像任何最喜歡的超級(jí)英雄一樣——超級(jí)電容器還具有漏洞。它們需要高于最小閾值的電流，稱為吸收電流，而充電時(shí)，就像普通電容器一樣，由于環(huán)境影響和老化，容易發(fā)生泄漏和參數(shù)變化。

充電過程中出現(xiàn)的吸收電流是由于離子在多孔電極材料內(nèi)的重新分布而產(chǎn)生的。隨著時(shí)間的推移，最初被表面吸收的離子往往會(huì)擴(kuò)散到電極結(jié)構(gòu)中，消耗一部分流入器件的電流。出于這個(gè)原因，需要高初始電流來繼續(xù)對超級(jí)電容器充電。吸收電流可能需要數(shù)小時(shí)才能衰減到一個(gè)穩(wěn)定的泄漏電流值，通常約為幾微安 （μA）。

環(huán)境條件（例如高環(huán)境溫度或濕度）以及老化可能會(huì)導(dǎo)致參數(shù)變化。與具有有機(jī)電解質(zhì)的替代品相比，具有水性電解質(zhì)的器件本質(zhì)上能夠更好地承受高溫和潮濕而不干燥或吸收水分，因此通常表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。圖 3 比較了水性和有機(jī)型在溫度升高時(shí)等效串聯(lián)電阻 （ESR） 的變化，顯示了水性型如何具有顯著更高的溫度穩(wěn)定性。

圖 3. ESR 穩(wěn)定性隨溫度升高的比較。

結(jié)論

超級(jí)電容器在各種備用電源應(yīng)用中為電池提供了一種高性能替代方案，可提供更長的循環(huán)壽命，并避免設(shè)計(jì)人員擔(dān)心電池更換或充電。

電極材料和電解質(zhì)配方的改進(jìn)使這些強(qiáng)大的設(shè)備能夠存儲(chǔ)更多能量并更輕松地堆疊以提供所需的輸出電壓。采用水性電解質(zhì)的最新超級(jí)電容器已準(zhǔn)備好在能源、安全、汽車和醫(yī)療市場領(lǐng)域的 RTC 保持和 NVM 備份應(yīng)用中進(jìn)行救援。

審核編輯：郭婷