了解超级电容器及其与电池的关系

随着物联网 (IoT)、工业物联网 (IIoT)、便携式电子产品以及工业厂房和数据中心等大型应用的兴起，对可靠储能资源的需求在急剧增加。电池可为较小的设备直接供电，而在较大的应用中，电池经常被用作主电源断电时的备用电源。

小型设备通常依靠锂离子 (Li-ion) 电池或碱性纽扣电池来实现外形小巧和维护最少。锂离子电池需要注意充电周期限制和安全。用于备用电源的电池在快速充电后会很快耗尽，必须更换。这些电池还需要复杂的电池管理系统，而且仍有可能发生热击穿，从而引发安全问题。

双电层电容器 (EDLC) 或超级电容器是电池的一种补充技术。电池的供电时间相对长，而超级电容器则可在短时间内快速供电。超级电容器环保，不会出现热击穿，能够可靠地运行长达 20 年。超级电容器可作为唯一的储能方法，也可搭配电池使用，还可作为优化输电的混合设备。

本文简要介绍了超级电容器与电池之间的关系。然后，回顾了一些典型的独立应用和与电池结合使用的应用。以 Eaton 的超级电容器为例进行说明。

超级电容器与电池的区别

超级电容器是一种储能装置，与电池等电化学储能装置相比，具有异常高的比功率容量。电池和超级电容器的供电功能相似，但运行方式不同。超级电容器的工作原理与传统电容器类似，恒定放电电流下的放电曲线表明电压以线性方式下降。与电池不同，超级电容器以静电方式储能，因此设备中不会发生化学变化，且充放电操作几乎完全可逆。这意味着超级电容器可以承受更多次的充放电循环。

电池以电化学方式储存能量。锂离子电池的放电曲线是平坦的；在电池几乎完全放电之前，表现出几乎恒定的电压特性。由于化学机制的退化，锂离子电池的充放电循环次数有限。温度、充电电压和放电深度等因素都会影响电池容量的减小。

锂离子电池容易发生热失控、自燃甚至爆炸。由于电阻加热在充放电过程中会发生化学反应，因此发热是不可避免的。鉴于此，需要监控电池的温度，以确保用户安全。

超级电容器与锂离子电池规格比较

电池具有高能量密度。超级电容器的能量密度比电池低，但功率密度却很高，因为它们几乎可以瞬间放电。电池中的电化学过程需要更多时间才能为负载提供能量。这两种设备都具有适合特定储能需求的功能（图 1）。

图 1：超级电容器和锂离子电池的特点对比。（图片来源：Eaton）

以瓦特小时每升 (Wh/L) 为单位比较能量密度以及以瓦特每升 (W/L) 为单位比较功率密度时，这两种设备之间的差异最为显著。这也会影响放电时间；超级电容器的目的是在短暂的时间间隔内（瞬时事件）提供能量，而电池供电的是长时间事件。超级电容器只需几秒或几分钟就能放电，而电池则可在数小时内提供能量。这一特点影响了各自的应用。

与电池相比，超级电容器具有更宽的工作温度范围。它们几乎无损耗的静电过程也有助于提高效率和充电速度。

超级电容器示例

Eaton 为需要高功率密度和快速充电的储能应用推出了可靠的全系列超级电容器。其超级电容器的物理封装有时与电池（尤其是纽扣电池）差不多。它们也可采用传统的圆柱形电容器封装（图 2）。

图 2：超级电容器采用带径向引线的标准圆柱形电容器封装；其中一些封装与钮扣式锂离子电池格式相匹配。（图片来源：Eaton）

图 2（左）所示的 Eaton TV1030-3R0106-R 是一款 10 F 超级电容器，其最大工作电压为 3 V。该器件采用圆柱形罐状封装，带有径向引线。罐体直径为 10.5 mm (0.413 in)。高度为 31.5 mm (1.24 in)。该器件的工作温度范围为 -25°C 至 +65°C，当降额至 2.5 V 或低于 2.5 V 时，工作温度范围扩大至 -25°C 至 +85°C。该器件可以存储 12.5 mW/hr 的能量，输出功率峰值为 86.5 W。该器件的额定充电/放电次数为 500,000 次。

超级电容器可在许多应用中取代钮扣电池，例如存储器的备份电源。Eaton KVR-5R0C155-R（右图 2）是一种 1.5 F 超级电容器，其额定最大工作电压为 5 V。该电容器的封装尺寸与 20 mm 纽扣电池相似，该电容器的峰值功率为 0.208 W，工作温度范围为 -25°C 至 +70°C，额定充电/放电循环次数也达到 500,000 次。

提高超级电容器的能量密度

超级电容器储存的能量与其电容及其充电电压的平方成正比。因此，可以通过增加并联电芯的数量来提高能量密度。通过制造具有高电容和更高工作电压的超级电容器模块，可以实现更高的能量密度（图 3）。

图 3：通过增加多个电芯和提高工作电压，可以提高超级电容器的能量密度。（图片来源：Eaton）

Eaton PHVL-3R9H474-R 超级电容器（图 3 左）是一款 470 mF、3.9 V 的双芯器件。该超级电容器的有效串联电阻 (ESR) 非常低，仅为 0.4 Ω，可减少导电损耗，其峰值功率可达 9.5 W。该器件的工作温度范围为 -40°C 至 +65°C。与上述超级电容器一样，该电容器的额定充放电次数为 500,000 次。物理封装高 14.5 mm (0.571 in)，长 17.3 mm (0.681 in.)，宽 9 mm (0.354 in)。

模块化超级电容器组可提供大量备用能量。Eaton XLR-16R2507B-R（图 3，右）的电容为 500 F，最大工作电压为 16.2 V。该模块的 ESR 为 1.7 mΩ，可提供 38.6 kW 峰值功率。工作温度范围为 -40°C 至 65°C（电芯温度）。封装高 177 mm (6.97 in)，长 417 mm (16.417 in)，宽 68 mm (2.677 in)。

混合超级电容器

为了融合超级电容器和锂离子电池的特性，人们努力研制出一种混合型超级电容器，即锂离子电容器 (LiC)。这就提高了超级电容器的能量密度，同时还具有比电池更快的响应时间。LiC 电池采用掺锂石墨阳极和活性炭阴极的非对称结构（图 4）。

图 4：混合超级电容器表现出超级电容器和锂离子电池的特性。与电池相比，混合超级电容器的充电/放电次数更多，放电率更高。（图片来源：Eaton）

混合超级电容器的结构融合了锂电池的电化学特性和超级电容器的静电特性，为设计者带来了显著的优势。在锂电池中，电荷运动是电化学过程，但其深度低于电池，因此具有充/放电次数更多，放电率更高。由此产生的放电曲线与超级电容器非常相似。

例如，HS1016-3R8306-R 是一款 30 F、3.8 V 混合型超级电容器，采用带径向引线的圆柱形封装。该器件的 ESR 为 0.55 Ω，具有 6.6 W 的峰值功率。其工作温度范围为 -15°C 至 +70°C，扩展工作温度范围为 -15°C 至 +85°C，降额后可在 3.5 V 或更低的电压下工作。在额定电压和最高工作温度下，其额定使用寿命为 1000 小时。封装尺寸为高 18 mm (0.709 in)，直径 10.5 mm (0.413 in)。与超级电容器一样，该器件的额定充/放电次数为 500,000 次。

能量和功率密度图

储能设备的能量和功率密度分布可以帮助我们深入了解其实用性和有效运行时间（图 5）。

图 5：通过电池和超级电容器装置的能量密度与功率密度的交叉图，我们可以了解这些器件的工作持续时间。（图片来源：Eaton）

该图是能量密度与功率密度的对比图。这些参数的比值就是时间，也在图表上显示。能量密度高但功率密度低的设备位于左上方。其中包括燃料电池和普通电池。传统电容器和超级电容器等功率密度高但能量密度低的器件位于右下方。混合超级电容器介于这两类电容器之间。请注意每种电池的工作时间；超级电容器的工作时间为几秒，混合电池为几分钟，而普通电池则为几小时或更长。

储能应用

储能设备可在主电源断电时供电。用作计算机内存提供备用电源就是一种很好的应用案例。我们以前曾经使用过电池，但超级电容器的充电/再充电次数要高得多，因此现在也开始进入这一应用领域。此外，有了超级电容器，运行一年后也无需更换电池。

超级电容器还可用于依赖能量收集的物联网和 IIoT 设计中。超级电容器在汽车中也有类似的应用，可以储存制动时回收的能量。

超级电容器可在短时间内实现高功率输出。超级电容器可为关键设施提供“直通”电源，这些设施需要在应急发电机启动前的十几秒内提供电力。超级电容器的充电时间与使用时间大致相同，断电后可迅速恢复运行。

结束语

在大多数储能应用中，超级电容器可与电池互补。它们的功率等级更高，可立即使用，充电时间短，是短期电力支持的理想选择。超级电容器可以进行多次充电/再充电而不会降低性能，从而降低了电池更换维护工作和库存成本。