超級(jí)電容器概述

用于存儲(chǔ)電能的化學(xué)電池的一種替代品是超級(jí)電容器。超級(jí)電容器也稱(chēng)為雙電層電容器（EDLC），由涂有多孔材料的電極制成，該材料通常是碳基的，由本身被膜隔開(kāi)的電解質(zhì)隔開(kāi)。典型的超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)

與電池不同，超級(jí)電容器通過(guò)物理吸附和離子在其電極之間的電解質(zhì)中的解吸來(lái)快速存儲(chǔ)和釋放能量。當(dāng)兩個(gè)不同的固相和液相接觸時(shí)，正電荷和負(fù)電荷在界面上分布在很小的距離上。沿該邊界表面的電荷層稱(chēng)為“雙電層”。下圖顯示了雙層及其像電容器一樣存儲(chǔ)能量的主要功能。

圖 2：（a） 雙電層和 （b） 施加外部電壓的電容器

碳基材料的現(xiàn)代進(jìn)步使多孔電極具有較大的表面積，從而具有高電容密度和較小的物理尺寸。如此高的容積效率使其成為替代小型二次紐扣電池的理想選擇。用于在超級(jí)電容器中儲(chǔ)存能量的離子過(guò)程也相對(duì)較快。該設(shè)備可以在幾秒鐘內(nèi)充滿(mǎn)電，而典型的電池單元可能需要十分鐘到幾個(gè)小時(shí)才能充滿(mǎn)電。此外，超級(jí)電容器的生命周期沒(méi)有理論上的限制，而鋰離子二次電池的有限壽命約為500個(gè)周期。

對(duì)于所有器件類(lèi)型，電解質(zhì)特性決定了超級(jí)電容器的整體端電壓。充滿(mǎn)電時(shí)的電壓通常小于3V。構(gòu)建超級(jí)電容器的傳統(tǒng)方法與紐扣電池相當(dāng)：下部和上部金屬外殼通過(guò)鍛件連接以包圍碳電極和有機(jī)電解質(zhì)。

憑借高生命周期和快速充放電時(shí)間等功能，小型電池超級(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)備到汽車(chē)電子和工業(yè)計(jì)算等設(shè)備的備用電源任務(wù)中取代出來(lái)。

汽車(chē)超級(jí)電容器

在汽車(chē)應(yīng)用中，隨著連接性和自動(dòng)駕駛技術(shù)在現(xiàn)代車(chē)輛中越來(lái)越受歡迎，斷電期間的系統(tǒng)備份需求變得越來(lái)越重要。然而，汽車(chē)環(huán)境異常惡劣，高溫、潮濕和振動(dòng)。傳統(tǒng)的電解電容器和電池在高溫條件下會(huì)隨著時(shí)間的推移而變干，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加和電容退化。

在這些情況下，可以使用專(zhuān)用超級(jí)電容器，使設(shè)計(jì)工程師擺脫有限電池壽命的限制。此外，超級(jí)電容器的良性開(kāi)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鮮明對(duì)比。因此，超級(jí)電容器是小型備用電池最具成本效益的替代品，可以存儲(chǔ)足夠的能量來(lái)提供從幾秒鐘到幾天的備用，具體取決于負(fù)載類(lèi)型和電流需求。

科美超級(jí)電容器

KEMET 的微型超級(jí)電容器是一種使用獨(dú)特的水性電解質(zhì)溶液的雙電層電容器，該溶液起源于 1978 年世界上第一款商用電容器 NEC 的雙電層電容器。KEMET 是世界上唯一一家使用水性電解質(zhì)溶液的超級(jí)電容器生產(chǎn)商。水性電解質(zhì)具有高導(dǎo)電性、低環(huán)境影響、無(wú)毒且不易燃的特點(diǎn)，具有強(qiáng)大的性能和安全性。與有機(jī)化合物相比，它們通常還具有更大的吸濕性，從而具有更長(zhǎng)的使用壽命和更好的穩(wěn)定性。

KEMET 的稀硫酸電解質(zhì)即使在高溫高濕條件下也能保持高耐用性。專(zhuān)有的隔膜由高耐熱材料開(kāi)發(fā)而成，即使長(zhǎng)時(shí)間使用后孔徑也不會(huì)閉合，以提高高溫下的堅(jiān)固性。KEMET 的小型電池超級(jí)電容器具有高強(qiáng)度硫化橡膠粘合，可確保防止液體電解質(zhì)泄漏。圖3所示的橫截面解釋了這些超級(jí)電容器的構(gòu)造方式，包括水性電解質(zhì)、橡膠電極和隔膜。

圖 3：KEMET 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)

這些特性使 KEMET 的超級(jí)電容器成為高可靠性、惡劣環(huán)境（包括汽車(chē)應(yīng)用）的理想選擇。KEMET 發(fā)布了兩款符合汽車(chē)測(cè)試協(xié)議的超級(jí)電容器。這些電容器在 ISO TS 16949 認(rèn)證的工廠制造，并經(jīng)過(guò) PPAP/PSW 和變更控制。

圖4顯示了一款這樣的產(chǎn)品FMD0H105ZF，它提供0.33F和5.5V。這款高容量超級(jí)電容器采用樹(shù)脂模制封裝，可實(shí)現(xiàn)卷帶封裝，并與自動(dòng)安裝兼容。它是世界上第一個(gè)在1°C-000%的高溫高濕環(huán)境中額定使用85，85小時(shí)的超級(jí)電容器，并且還符合汽車(chē)測(cè)試協(xié)議，工作溫度范圍為-40°C至85°C。

圖 4：KEMET 的新型 FMD0H105ZF 超級(jí)電容器及其結(jié)構(gòu)

圖5描述了另一種產(chǎn)品FU0H105ZF超級(jí)電容器，該產(chǎn)品在1.5V時(shí)提供5F，外殼由密封金屬罐制成。該產(chǎn)品符合汽車(chē)測(cè)試協(xié)議，是一款長(zhǎng)壽命器件，在 4°C 下運(yùn)行超過(guò) 000，85 小時(shí)。 這種惡劣環(huán)境的壽命相當(dāng)于汽車(chē)儀表板附近的任務(wù)剖面時(shí)的 10 年壽命。

圖 5：KEMET 的新型 FU0H105ZF 及其結(jié)構(gòu)

這些產(chǎn)品的端子材料經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提高對(duì)高濕度、熱沖擊和振動(dòng)的抵抗力。特別是FU0H105ZF，由于采用了獨(dú)特的電池堆疊技術(shù)，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，無(wú)需增加接觸電阻。

結(jié)論

在許多備用電源應(yīng)用中，超級(jí)電容器為電池提供了高性能替代品，可提供更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，并且設(shè)計(jì)人員無(wú)需擔(dān)心電池更換或充電。使用 KEMET 水性電解質(zhì)的最新超級(jí)電容器是汽車(chē)市場(chǎng)所需的高電壓、長(zhǎng)壽命和耐環(huán)境性的尖端儲(chǔ)能器件。KEMET 的新型超級(jí)電容器非常適合用于汽車(chē)、醫(yī)療、航空航天、工業(yè)和其他需要高可靠性性能的領(lǐng)域。

審核編輯：郭婷