EDLC超級(jí)電容器原理和特性

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，電容器是不可或缺的一類無(wú)源元件。經(jīng)過(guò)不斷地技術(shù)演進(jìn)，如今的電容器已經(jīng)發(fā)展出多種類型，它們采用不同的材料和工藝，各具特點(diǎn)，在電路中扮演著儲(chǔ)能、平滑、耦合、去耦等角色。在電容器這個(gè)大家族中，如果要論儲(chǔ)能方面能力最強(qiáng)的，那肯定是“超級(jí)電容器”莫屬了。

EDLC超級(jí)電容器原理和特性

超級(jí)電容器最常見(jiàn)的一種類型是EDLC雙電層電容器，其之所以具有“超級(jí)”的儲(chǔ)能能力，是因?yàn)椴捎昧艘环N特殊的結(jié)構(gòu)。

具體來(lái)講，傳統(tǒng)的電容器是由兩個(gè)電極以及電極之間的電介質(zhì)構(gòu)成，而EDLC電容器中沒(méi)有電介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)中包括：固體的正電極和負(fù)電極、位于正負(fù)極之間的電解液，以及防止正負(fù)極之間接觸短路的隔離層。當(dāng)在EDLC電容器電極上施加電壓時(shí)，電解液中的離子受到電極吸附作用，會(huì)在正負(fù)電極表面各形成一個(gè)能夠存儲(chǔ)電荷的電容結(jié)構(gòu)——就像是兩個(gè)串聯(lián)在一起的電容——形成所謂的“雙電層效應(yīng) （Electric Double Layer Effect）”，隨著電解液中離子對(duì)電極表面的吸附和脫離，EDLC電容器也就完成了電容的充電和放電。

EDLC電容器“超級(jí)”儲(chǔ)能的關(guān)鍵秘笈，主要在于其電極表面涂覆有比表面積非常大的活性炭，讓電解液中的離子盡可能充滿多孔的活性炭表面，以獲得盡可能大的接觸表面積，而由于電容器容量的大小與EDLC兩個(gè)電極電氣雙層面積成正比，這就使得EDLC電容器能夠在單位體積內(nèi)提供極高的容值，遠(yuǎn)超其他類型的電容器。

圖1：EDLC超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)和工作原理

（圖源：TDK）

這樣特殊的結(jié)構(gòu)，為EDLC帶來(lái)了諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)特性：

靜電容量大

這一點(diǎn)上文已經(jīng)分析過(guò)，其靜電容量及能量密度介于電容器和電池（二次電池）之間，因此EDLC超級(jí)電容器通常是作為儲(chǔ)能元件來(lái)使用的。

圖2：不同儲(chǔ)能元件靜電容量比較

（圖源：TDK）

功率密度高

由于EDLC超級(jí)電容器沒(méi)有電極活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，因此與可充電電池相比，具有更高的功率密度（即單位體積的輸出功率），可以快速充放電，更適合那些需要“瞬間發(fā)力”提供電能的應(yīng)用。

圖3：與電池相比EDLC超級(jí)電容器具有更高的功率密度

（圖源：TDK）

使用壽命長(zhǎng)

EDLC超級(jí)電容器的充放電，利用的是離子吸附脫離這種物理現(xiàn)象，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，因此其不易老化，充放電循環(huán)特性優(yōu)異——循環(huán)使用次數(shù)甚至可達(dá)數(shù)十萬(wàn)次——這個(gè)特性是充電電池難以企及的。以TDK的EDLC超級(jí)電容器為例，在以5.5V的電壓充電，反復(fù)進(jìn)行20A-5ms放電和0.9A充電的充放電循環(huán)2萬(wàn)次后，電容器的電氣特性基本沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。

圖4：EDLC超級(jí)電容器的耐充放電循環(huán)測(cè)試

（圖源：TDK）

安全性更佳

構(gòu)成EDLC超級(jí)電容器的主要材料是活性炭、鋁、離子電解液，工作機(jī)理安全潔凈，不會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，不存在起火、冒煙的危險(xiǎn)，因此使用起來(lái)更安全。而且由于無(wú)需特殊的保護(hù)電路，EDLC超級(jí)電容器的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)也更簡(jiǎn)單。

根據(jù)上述的特性，我們可以為EDLC超級(jí)電容器圈定一個(gè)應(yīng)用范圍——這是一類兼具大容量和高功率密度的儲(chǔ)能元件，具有在短時(shí)間內(nèi)充放電的“爆發(fā)力”，因此可以作為特定電子產(chǎn)品的儲(chǔ)能設(shè)備，也可以作為電池和電源的輔助設(shè)備來(lái)使用。

針對(duì)不同應(yīng)用，人們開(kāi)發(fā)出了不同類型的EDLC超級(jí)電容器產(chǎn)品，它們形態(tài)各異，儲(chǔ)能的本領(lǐng)也不同，將超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)帶到了各個(gè)能量等級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景中。

圖5：不同類型EDLC超級(jí)電容器及其應(yīng)用

（圖源：TDK）

TDK的EDLC超級(jí)電容器組合

對(duì)于EDLC超級(jí)電容器如此重要的一條產(chǎn)品線，各個(gè)電容器大廠自然不會(huì)忽視。TDK也不例外，在其豐富的電容器產(chǎn)品組合中，也包括對(duì)EDLC超級(jí)電容市場(chǎng)的精細(xì)布局。

圖6：TDK豐富的電容器產(chǎn)品組合

（圖源：TDK）

從上圖中可以看出，TDK的EDLC超級(jí)電容器產(chǎn)品的容量范圍在5mF?500mF之間，主要針對(duì)的是中低容量小型化電子設(shè)備，因此其在工藝上采用了金屬箔層壓薄膜，提供了小尺寸和薄型設(shè)計(jì)，非常節(jié)省空間。

圖7：TDK的EDLC超級(jí)電容器產(chǎn)品特性

（圖源：TDK）

在具備EDLC超級(jí)電容器大容量、安全性、長(zhǎng)壽命這些固有特性的同時(shí)，TDK的EDLC超級(jí)電容器產(chǎn)品還通過(guò)設(shè)計(jì)和工藝上的優(yōu)化，形成了不少自己特有的優(yōu)勢(shì)。

首先，TDK的EDLC超級(jí)電容器對(duì)電極和隔板、電解液進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低電阻的特性，而電阻低使得功率密度得以進(jìn)一步提升。

其次，這些EDLC超級(jí)電容器在一個(gè)封裝里包含了兩個(gè)電容器，通過(guò)串聯(lián)提高了額定電壓（3.2V?4.2V），因此在實(shí)際應(yīng)用中，即使不提高電壓，也能讓電容器獲得足夠的能量。

再有，TDK的EDLC超級(jí)電容器采用了軟包型的工藝，這種“輕薄”的設(shè)計(jì)非常有利于將其集成到各種應(yīng)用中。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的小型化，TDK的EDLC超級(jí)電容器采用了卷回型和薄積層型兩種不同的制造工藝：卷回型使用鋁層疊薄膜，將電極和隔板同時(shí)卷起來(lái)，得到1個(gè)小“電池”，再封裝2個(gè)這樣的小“電池”；而薄層疊型則是將電極和隔板層疊在一起，使用不銹鋼板層疊薄膜封裝，具有高彎曲強(qiáng)度，可以應(yīng)對(duì)屈曲、扭曲等應(yīng)用要求的挑戰(zhàn)。

圖8：卷回型和薄積層型EDLC超級(jí)電容器

（圖源：TDK）

EDLC超級(jí)電容器的典型應(yīng)用

憑借上面這些優(yōu)秀的特性，TDK的EDLC超級(jí)電容器產(chǎn)品在很多應(yīng)用中都可以一展身手，這些應(yīng)用主要分為三類，包括：電池輔助、電源備份和儲(chǔ)能設(shè)備。下面我們就通過(guò)一些具體的用例進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

電池輔助

EDLC超級(jí)電容器在電池輔助方面的應(yīng)用場(chǎng)景主要有兩種：一是當(dāng)系統(tǒng)需要瞬間的峰值輸出時(shí)，在電池的恒定輸出之外提供高功率密度的輸出，補(bǔ)充電池供電的不足，其典型應(yīng)用如為LED閃光燈提供所需的瞬間高電能，以及為無(wú)線傳感器短時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸提供電能等；其另一種典型應(yīng)用是當(dāng)遇到高峰值負(fù)載時(shí)，提供能量支持，避免供電電壓的不穩(wěn)定并減輕電池的負(fù)荷，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

TDK的EDLC超級(jí)電容器產(chǎn)品一個(gè)經(jīng)典的用例就是電子書閱讀器頁(yè)面切換時(shí)的電池輔助。要知道，電子書閱讀器所用的“電子紙”屏幕靜態(tài)下功耗極低，而在翻頁(yè)操作時(shí)，則需要提供一個(gè)瞬間的大電流，以實(shí)現(xiàn)更流暢的畫面切換和更快的顯示速度。

如果讓電池去支持這樣的瞬間大電流，就需要更低電阻的電池，其尺寸也會(huì)變大，這顯然對(duì)于產(chǎn)品的小型化、輕量化是不利的。而如果使用TDK的EDLC超級(jí)電容器作為電池輔助，提供瞬間大電流支持，其功率密度高、外形輕薄的特點(diǎn)，恰好可以完美地解決這一問(wèn)題。

圖9：EDLC超級(jí)電容器在電子紙電池輔助中的應(yīng)用

（圖源：TDK）

在電源輔助方面，另一個(gè)有趣的應(yīng)用是在NFC智能卡上。大家知道，由于傳統(tǒng)智能卡外形規(guī)格和使用場(chǎng)景的限制，其內(nèi)部是沒(méi)有電池的，智能卡內(nèi)部電子系統(tǒng)工作所需電能是通過(guò)感應(yīng)線圈從讀卡器設(shè)備“隔空”取來(lái)的。而隨著NFC智能卡應(yīng)用的拓展，人們正在考慮將更多的功能置入其中，比如指紋識(shí)別或顯示屏，這就需要更大的能量供應(yīng)。

想要支持新一代NFC智能卡的這些新功能，在卡內(nèi)置入電池是一個(gè)方案，但這會(huì)增加充電維護(hù)的復(fù)雜性；而如果采用EDLC超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能元件，則可以將NFC線圈電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電能瞬間充給EDLC電容器，在需要的時(shí)候，再將這些蓄積的電能用于指紋識(shí)別、屏幕顯示等操作。

圖10：新一代無(wú)電池NFC智能卡系統(tǒng)

（圖源：TDK）

TDK開(kāi)發(fā)的厚度僅為0.45mm的薄型EDLC超級(jí)電容器，就是滿足這種“無(wú)電池”NFC智能卡設(shè)計(jì)的不二之選，纖薄的外形使其在內(nèi)置于智能卡時(shí)毫無(wú)壓力，而且其還具有出色的抗彎折及扭曲特性，可以很好地滿足未來(lái)NFC智能卡在多功能性、易用性、耐久性等方面的設(shè)計(jì)要求。

電源備份

在電源備份應(yīng)用中，EDLC超級(jí)電容器的作用主要是在電源斷開(kāi)時(shí)提供高輸出的備份電源，支持設(shè)備繼續(xù)完成數(shù)據(jù)備份等重要操作。

比如在企業(yè)級(jí)的SSD存儲(chǔ)應(yīng)用中，通常是采用NAND閃存作為存儲(chǔ)器件，在寫入數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)暫時(shí)將數(shù)據(jù)保存在DRAM高速緩存中，然后將數(shù)據(jù)一起寫入閃存以提高數(shù)據(jù)寫入速度。而在意外斷電時(shí)，就需要多個(gè)電容器提供斷電保護(hù)，以確保緩存中的數(shù)據(jù)能寫入NAND閃存。顯然，如果讓大容量的EDLC超級(jí)電容器扮演這種SSD失電保護(hù)的角色，既“高能”又安全，再合適不過(guò)了。

圖11：EDLC超級(jí)電容器在SSD失電保護(hù)中的應(yīng)用

（圖源：TDK）

儲(chǔ)能設(shè)備

靜電容量大的特性，使得EDLC超級(jí)電容器可以在儲(chǔ)能方面發(fā)揮特殊的作用，特別是在人們不斷在新能源領(lǐng)域挖潛、節(jié)能減碳的大背景下，其作用就顯得更重要了。

這方面EDLC超級(jí)電容器的應(yīng)用可以細(xì)分為兩類：一類是為太陽(yáng)能等不穩(wěn)定的新能源發(fā)電設(shè)備提供儲(chǔ)能，以便在能源輸入不穩(wěn)定的情況下也能夠確保負(fù)載供電的穩(wěn)定性；另一類應(yīng)用是作為能源收集技術(shù)的配套儲(chǔ)能設(shè)備，將從環(huán)境中收集的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能存儲(chǔ)起來(lái)，供電子設(shè)備使用——為超低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，就是此類應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

舉個(gè)例子，隨著小型機(jī)器人的普及，TDK外形緊湊的EDLC超級(jí)電容器可以被集成在其中，有效地將電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)剩余電力收集和儲(chǔ)存起來(lái)，并為電池充電，既能保障能量輸出的穩(wěn)定性，也能夠在需要大能量運(yùn)行時(shí)提供能量輔助。

圖12：EDLC超級(jí)電容器在小型電機(jī)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能應(yīng)用

（圖源：TDK）

本文小結(jié)

最后總結(jié)一下，作為一種比較“特殊”的電容器，EDLC超級(jí)電容器在靜電容量、功率密度、使用壽命、安全性等方面確實(shí)具有異于其他儲(chǔ)能設(shè)備的“超能力”，這也使得其在電池輔助、電源備份、儲(chǔ)能等應(yīng)用中成為無(wú)可替代的“超人”。

在EDLC超級(jí)電容器的技術(shù)版圖中，TDK很巧妙地找到了自己著力點(diǎn)，聚焦在低容量、小型化的應(yīng)用中，逐漸形成了品類完整、性能突出的產(chǎn)品組合，最終在諸如NFC智能卡等應(yīng)用中確立了明顯的優(yōu)勢(shì)，將“超級(jí)”的性能優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為“超級(jí)”的市場(chǎng)表現(xiàn)。