超级电容器是提供持久、可靠和节省空间的备用电源

凭借包括高循环寿命和快速充电和放电时间在内的功能，小电池超级电容器可以将纽扣型电池从物联网设备、智能电表或医疗设备、汽车电子和工业计算等设备的备用电源中取代。典型应用包括在主系统电源被移除时维护系统的实时时钟或易失性存储器，例如在断电期间或当主系统电池被移除以进行更换时。

在这些情况下使用超级电容器使产品制造商能够让用户摆脱有限电池寿命的限制。它们还可以从 PCB 材料清单中消除昂贵且笨重的电池座，有利于小型焊接设备，并消除制造挑战，例如管理电池保质期和在运输前插入电池。超级电容器的良性开路故障模式与可能导致放气或点火的典型短路电池故障形成对比。

电容值高达 5 法拉的超级电容器是小型备用电池的最具成本效益的替代品，并且可以存储足够的能量，根据负载类型和电流需求提供持续时间从几秒到几天不等的备用电源。

海角下的一瞥

超级电容器，也称为双电层电容器 （EDLC），由两个电极组成，两个电极涂有多孔材料，通常是碳基材料，由电解质隔开，而电解质本身又被隔膜隔开。

与电池不同，超级电容器通过物理吸附和解吸电极之间的电解质中的离子来快速存储和释放能量。这些过程比电池充电中涉及的化学反应快得多。鉴于超级电容器的低内阻，该设备可以在几秒钟内充满电，而二次电池可能需要 10 分钟到几个小时才能充满电。此外，循环寿命没有理论上的限制，而锂离子二次电池的寿命有限，约为 500 次循环。

碳基材料的现代进步使多孔电极具有大表面积，从而产生高电容值和小外部尺寸。

电解质对器件性能也有重要影响，通常是有机化合物或水溶液。水性电解质具有高导电性、低环境影响且不易燃，具有强大的性能和安全性。与有机化合物相比，它们通常还具有更高的抗吸湿性，从而具有更长的使用寿命和更好的稳定性。

对于所有设备类型，电解质特性决定了整个超级电容器的端电压。充满电后的电压通常低于 3V。

构建小电池超级电容器的传统方法与纽扣电池相当，包括通过型锻连接的下部和上部金属外壳，并包围碳电极和有机电解质。尽管内部垫圈有助于密封，但电解质会在相对较短的使用寿命内变干，并且热冲击会损害结构完整性。

没有普通的超级电容

KEMET 的小电池超级电容器采用高强度硫化橡胶粘合剂，可确保防止液体泄漏的高度安全性。图 1 的横截面显示了这些超级电容器是如何构造的，包括水性电解质、橡胶电极和隔膜。

图 1. 带有水性电解质的小电池超级电容器

为了获得高于单个电池基极电压的所需输出电压，需要串联几个电池。例如，硬币型超级电容器通常堆叠在外部罐内或热缩材料管内，并且电极连接到上表面和下表面。

含有水性电解质的超级电容器可以有效堆叠，以在更小的外壳尺寸内实现更高的额定电压，并具有强粘合密封以防止热冲击和机械冲击的额外优势。坚固可靠的设备可以覆盖从 3.5V 到 12V 的广泛工作电压。 显示了如何将这种多电池结构封装在树脂模制封装中。或者，外包装可以是密封的金属罐，终端可以是通孔或表面贴装。

在现实世界

除了拥有特殊的能力和 aka——就像任何最喜欢的超级英雄一样——超级电容器还具有漏洞。它们需要高于最小阈值的电流，称为吸收电流，而充电时，就像普通电容器一样，由于环境影响和老化，容易发生泄漏和参数变化。

充电过程中出现的吸收电流是由于离子在多孔电极材料内的重新分布而产生的。随着时间的推移，最初被表面吸收的离子往往会扩散到电极结构中，消耗一部分流入器件的电流。出于这个原因，需要高初始电流来继续对超级电容器充电。吸收电流可能需要数小时才能衰减到一个稳定的泄漏电流值，通常约为几微安 （µA）。

环境条件（例如高环境温度或湿度）以及老化可能会导致参数变化。与具有有机电解质的替代品相比，具有水性电解质的器件本质上能够更好地承受高温和潮湿而不干燥或吸收水分，因此通常表现出更高的稳定性。图 3 比较了水性和有机型在温度升高时等效串联电阻 （ESR） 的变化，显示了水性型如何具有显着更高的温度稳定性。

图 3. ESR 稳定性随温度升高的比较。

结论

超级电容器在各种备用电源应用中为电池提供了一种高性能替代方案，可提供更长的循环寿命，并避免设计人员担心电池更换或充电。

电极材料和电解质配方的改进使这些强大的设备能够存储更多能量并更轻松地堆叠以提供所需的输出电压。采用水性电解质的最新超级电容器已准备好在能源、安全、汽车和医疗市场领域的 RTC 保持和 NVM 备份应用中进行救援。

审核编辑：郭婷