在電子元件分類中，超級電容正好定位于電容和電池之間。比起使用固態電介質的傳統電容，單個超級電容可存儲多得多的能量。但其存儲容量要落后于電池。但是，當超級電容可以儲存應用所需的足夠能量時，它們就會發揮出多種優勢，包括瞬時打開、快速充電等能力，并且不需要太復雜的充電電路。

對電子設計工程師來說，超級電容的其它重要特性包括：高能量密度和超長循環使用壽命。相對電池來說這些優勢非常明顯。

這些特性可以滿足很多新應用需求，這些新應用對能量的需求就像手機一樣各不相同，在這些應用中，使用超級電容可以延長電池壽命。在許多成熟應用中超級電容甚至取代常規電容和電池。

超級電容基礎知識

常規電容使用固態電介質來儲存能量，與之不同的是超級電容使用兩個電層，通常被稱為EDLC（電化學雙層電容）。在EDLC中，采用物理機制來生成電介質功能的雙電層。充放電過程則通過正負極活性碳電極表面上的一個離子吸收層來完成。電荷在EDLC雙層的靜止分離距離非常小——在0.3至0.8納米之間。圖1顯示了充電（左）和放電（右）過程的離子活性。

圖1：雙電層電容通常將電荷存儲在活性炭電極中（由松下提供）。

EDLC使用薄膜活性炭中的離子遷移來存儲電荷。在電容的兩個電極施加電壓使電解質中的離子遷移以試圖翻轉電極上的電荷（充電過程）。帶正電的離子移動到負電極，而帶負電的離子移動到正極，形成了電解質內的兩個電荷層：一個正極和一個負極。移除該電壓使離子以相反方向移動，形成放電過程。

超級電容的電容值由它們的尺寸、幾何形狀和復合材料來確定。鋁電解質器件的電容范圍在10-6到 10-2 F （法拉）之間。松下黃金超級電容產品線提供的電容值高達70F。消費產品中使用的可充電電池提供更高的電容——具體高出多少取決于電池大小。

在與電池技術的競爭中，新型材料為超級電容提供了新動力。研究人員已經制造出與鎳氫電池能量密度相當的石墨烯器件——室溫下可達到85瓦時/千克。如同所有其它超級電容，他們的充電速度非常快——只有幾秒鐘或幾分鐘。

通過導電聚合物構建的新器件可以增加電容容量，這源自稱為贗電容的電荷儲存原理，贗電容由電極上的化學還原—氧化（氧化還原）反應產生。通常，所述離子是O2+。在充電過程中其中一個電極發生還原反應，而另一電極則是氧化反應。在放電過程中，這些反應發生逆轉并且離子在電解質間朝相反方向移動。

（編者注：贗電容，或稱為法拉第準電容，是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附，脫附或氧化，還原反應，產生和電極充電電位有關的電容。贗電容不僅在電極表面，而且可在整個電極內部產生，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積的情況下，贗電容可以是雙電層電容量的10～100倍。

目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導電聚合物。目前對金屬氧化物電極電化學電容器所用電極材料的研究，主要是一些過渡金屬氧化物， 如a—MnO2‘nH20、a—V205·nH20、a—RuO2·nH20、IrO2、Ni0 、H3PM ol2040‘nH20、W 03、Pb02、Co304、SrRuO3等，另外還有發展金屬的氮化物y-M~N作電極材料。金屬氧化物基電容器目前研究最為成功的電極材料主要是氧化釕， 由于貴金屬的資源有限，價格過高將限制對它的使用，對于金屬氧化物電容器的研究主要在于降低材料的成本，尋找較廉價的材料。）

雙電層電容和贗電容共同決定了超級電容的電容值。依賴于具體的電極設計和電解質組合物，兩者的相對貢獻變化很大。在一些情況下，贗電容增加的電容值比雙層電板本身的電容高出一個數量級。

應用領域

在高端能量存儲領域，超級電容可以在多個方面提升混合電動車的效率。簡單地說，目前的混合動力汽車一般在停止時會完全關閉發動機，然后高效地利用存儲在超級電容中的能量再次啟動。Maxwell Technologies 公司提供了一系列基于超級電容的模塊，容量可高達3000F。混動汽車中的啟停應用中已經售出了60多萬件超級電容。

Maxwell 還為傳統汽車設計了一個替代品，在一個較小的鉛酸蓄電池上面連接超級電容。這一應用的背后概念是，在電力需求峰值時，比如啟動汽車，降低該電池能夠產生的總能量。當放電量較小并且穩定時，電池可以持續更長的時間。麥克斯韋“混合”超級鉛酸蓄電池中的超級電容放寬了電池的能量要求。

其他元件供應商針對不同市場提供其超級電容產品系列，包括Nichicon，AVX，村田，Cornell Dubilier和Vishay等。

根據市場研究機構Paumanok出版公司的報告顯示，火車、飛機和汽車（以及卡車）占據了目前全球4億美元超級電容市場的40％左右。運輸類應用包括磁懸浮列車、動力和制動回收系統、卡車升降機，以及軌道切換器。

設計工程師對超級電容在消費類電子產品、計算機和通信中應用的興趣更大。超級電容經常用于這些產品中的存儲保護。另一種常見的應用是內部后備電源。超級電容既可用于替代電池，也可用作短期的冗余后備電源。

隨著智能電表部署的穩步增加，電能和煤氣表的后備電源受到越來越多的關注，因為如果主電源出現故障，儀表很可能也無法正常工作。可充電電池是常規的設計選擇，但它們需要充電電路，這增加了設計成本，并且這種故障情況發生率相對較低，因此并不劃算。

智能電表用后備電源有兩個基本需求：（1）電源能夠瞬時打開;（2）可用于低溫工作，因為電表通常安裝在室外。超級電容要非常滿足這兩個需求，因為它們反應迅速，允許電表發送警報，并且將狀態和使用信息傳回網絡。

整合一個后備超級電容的設計工作量要比設計可充電電池少一些，但同樣的充電控制器IC往往可以在兩種應用中共用。雖然供電部分超級電容要比充電電池簡單一些，但仍有一些設計陷阱需要避免。例如，使用二極管來防止反向電流將導致超級電容的充電閾值有所增加，增幅為二極管壓降。使用穩壓器代替可以消除二極管壓降問題，降低充電閾值。這種策略在超級電容耗盡時也會出現問題，因為超級電容需要更長的時間來充電。

電源管理IC供應商的數據手冊和應用筆記，可以提供電源設計的最佳實踐。德州儀器的bq24640和美信公司的MAX17710就是其中的兩個案例。

其他常見的超級電容應用是用來保護CMOS邏輯電路以及驅動電子玩具。安全警報系統、不間斷電源（UPS）系統以及太陽能發電等。

直到最近，超級電容市場的主要增長點依然是替傳統電容。最近，這個技術似乎正準備進入智能手機及其它需要或多或少同時執行多個功能設備的鋰離子電池市場，這些設備對能量的需求各不相同。

如果能量消耗很快，鋰電池包含的總勢能將下降。換言之，對電池的瞬時高功率需求意味著這樣方式下獲取的總能量將比長時間獲取的總能量要少一些。而超級電容沒有這個限制。

超級電容還可用于太陽能電池陣列，并且還非常適合用于微型能量采集應用中，從它的定義名稱可以得知，這類應用不需要太多的能量存儲。從附近的熱量、振動或生物來源獲取的毫瓦級能量可以驅動用于監視和控制電機的傳感器。例如，旋轉機械產生的振動能量，首先由一個能量采集設備轉換為電能，然后再存儲在超級電容中。使用超級電容可以削減用于更換電池或連接到可充電電池電力線的費用。圖2顯示了通用能量采集系統的方框圖。盡管超級電容理論上可能是唯一的能量來源，但目前的實際設計通常使用電池來提供長期能量，而使用超級電容來滿足峰值功率需求。Cellergy及其它供應商為這些應用提供了理想器件。

圖2：微能量采集設計受惠于集成超級電容

前面提到的MAX17710充電器IC可用于能量收集應用。它集成了一個輸入升壓調壓器，可以處理低至800毫伏的充電。MAX 17710 可以采集1微瓦到100毫瓦的能量。為了保護電池/超級電容儲能裝置，它限制了輸入電源的電壓，調節或分流了多余的電力。一個低壓差線性穩壓器（LDO），帶有3.3V和1.8V電壓選擇，用于防止過度充電。欲了解更多關于能量采集技術和產品的信息，請訪問 http：//www.mouser.com/applications/energy_harvesting/

結論

不久以前，超級電容只用在有限的應用中，比如存儲保護和內部備用電池，但在過去幾年，它的應用領域已顯著拓展到混合動力汽車、智能手機和能量采集領域。一些新興技術有望使超級電容具備同充電電池完全競爭的能力。