憑借包括高循環壽命和快速充電和放電時間在內的功能，小電池超級電容器可以將紐扣型電池從物聯網設備、智能電表或醫療設備、汽車電子和工業計算等設備的備用電源中取代。典型應用包括在主系統電源被移除時維護系統的實時時鐘或易失性存儲器，例如在斷電期間或當主系統電池被移除以進行更換時。

在這些情況下使用超級電容器使產品制造商能夠讓用戶擺脫有限電池壽命的限制。它們還可以從 PCB 材料清單中消除昂貴且笨重的電池座，有利于小型焊接設備，并消除制造挑戰，例如管理電池保質期和在運輸前插入電池。超級電容器的良性開路故障模式與可能導致放氣或點火的典型短路電池故障形成對比。

電容值高達 5 法拉的超級電容器是小型備用電池的最具成本效益的替代品，并且可以存儲足夠的能量，根據負載類型和電流需求提供持續時間從幾秒到幾天不等的備用電源。

海角下的一瞥

超級電容器，也稱為雙電層電容器 （EDLC），由兩個電極組成，兩個電極涂有多孔材料，通常是碳基材料，由電解質隔開，而電解質本身又被隔膜隔開。

與電池不同，超級電容器通過物理吸附和解吸電極之間的電解質中的離子來快速存儲和釋放能量。這些過程比電池充電中涉及的化學反應快得多。鑒于超級電容器的低內阻，該設備可以在幾秒鐘內充滿電，而二次電池可能需要 10 分鐘到幾個小時才能充滿電。此外，循環壽命沒有理論上的限制，而鋰離子二次電池的壽命有限，約為 500 次循環。

碳基材料的現代進步使多孔電極具有大表面積，從而產生高電容值和小外部尺寸。

電解質對器件性能也有重要影響，通常是有機化合物或水溶液。水性電解質具有高導電性、低環境影響且不易燃，具有強大的性能和安全性。與有機化合物相比，它們通常還具有更高的抗吸濕性，從而具有更長的使用壽命和更好的穩定性。

對于所有設備類型，電解質特性決定了整個超級電容器的端電壓。充滿電后的電壓通常低于 3V。

構建小電池超級電容器的傳統方法與紐扣電池相當，包括通過型鍛連接的下部和上部金屬外殼，并包圍碳電極和有機電解質。盡管內部墊圈有助于密封，但電解質會在相對較短的使用壽命內變干，并且熱沖擊會損害結構完整性。

沒有普通的超級電容

KEMET 的小電池超級電容器采用高強度硫化橡膠粘合劑，可確保防止液體泄漏的高度安全性。圖 1 的橫截面顯示了這些超級電容器是如何構造的，包括水性電解質、橡膠電極和隔膜。

圖 1. 帶有水性電解質的小電池超級電容器

為了獲得高于單個電池基極電壓的所需輸出電壓，需要串聯幾個電池。例如，硬幣型超級電容器通常堆疊在外部罐內或熱縮材料管內，并且電極連接到上表面和下表面。

含有水性電解質的超級電容器可以有效堆疊，以在更小的外殼尺寸內實現更高的額定電壓，并具有強粘合密封以防止熱沖擊和機械沖擊的額外優勢。堅固可靠的設備可以覆蓋從 3.5V 到 12V 的廣泛工作電壓。 顯示了如何將這種多電池結構封裝在樹脂模制封裝中。或者，外包裝可以是密封的金屬罐，終端可以是通孔或表面貼裝。

在現實世界

除了擁有特殊的能力和 aka——就像任何最喜歡的超級英雄一樣——超級電容器還具有漏洞。它們需要高于最小閾值的電流，稱為吸收電流，而充電時，就像普通電容器一樣，由于環境影響和老化，容易發生泄漏和參數變化。

充電過程中出現的吸收電流是由于離子在多孔電極材料內的重新分布而產生的。隨著時間的推移，最初被表面吸收的離子往往會擴散到電極結構中，消耗一部分流入器件的電流。出于這個原因，需要高初始電流來繼續對超級電容器充電。吸收電流可能需要數小時才能衰減到一個穩定的泄漏電流值，通常約為幾微安 （μA）。

環境條件（例如高環境溫度或濕度）以及老化可能會導致參數變化。與具有有機電解質的替代品相比，具有水性電解質的器件本質上能夠更好地承受高溫和潮濕而不干燥或吸收水分，因此通常表現出更高的穩定性。圖 3 比較了水性和有機型在溫度升高時等效串聯電阻 （ESR） 的變化，顯示了水性型如何具有顯著更高的溫度穩定性。

圖 3. ESR 穩定性隨溫度升高的比較。

結論

超級電容器在各種備用電源應用中為電池提供了一種高性能替代方案，可提供更長的循環壽命，并避免設計人員擔心電池更換或充電。

電極材料和電解質配方的改進使這些強大的設備能夠存儲更多能量并更輕松地堆疊以提供所需的輸出電壓。采用水性電解質的最新超級電容器已準備好在能源、安全、汽車和醫療市場領域的 RTC 保持和 NVM 備份應用中進行救援。

審核編輯：郭婷