超級電容器為能源儲存市場帶來的好處是巨大的。但只有少數設計人員注意到這種小巧但又強大的元器件。也許這就是為什么一些分析家認為超級電容器仍是一個小眾市場，因較高的價格水平和缺乏對行業(yè)的了解而導致無法大規(guī)模采用。但越來越多的分析家發(fā)現這些設備作為一項成熟技術已得到了越來越廣泛的應用。

Transparency Market Research (TMR) 報告中說，亞太地區(qū)已于2012年超越了其他所有地區(qū)市場，成為全球超級電容器的主要制造地區(qū)。在再生制動、HEV、微型混合動力/啟停系統和航空航天/軍事應用中的發(fā)展刺激了超級電容器技術的增長。這些新的創(chuàng)新應用預計能在未來幾年內大幅推動全球超級電容器市場。  

超級電容器，也被稱為超電容或電子雙層電容器 (EDLC)，在能源儲存系統中扮演著越來越重要的角色。Tesla Motors 的 CEO Elon Musk 認為這些電容器甚至會“取代”電池技術。是什么讓超級電容器有別于其更加常見的同類產品？與電池和燃料電池相比如何？這些增強型電容器的發(fā)展市場和應用空間如何？本文將解答這些問題。

超導體的差異

超級電容器是一種電化學電容器，其能量密度比傳統電容器大一個數量級。在單位體積的電容器中儲存的能量被稱為能量密度。能量密度的計量方式為基于體積的（每單位體積）每升瓦特小時 (Wh/l)。

相比電池，超級電容器具有較低內阻，這意味著可實現高功率（圖1）。功率密度是指能量輸送到負載/從負載吸收能量的速度。

圖 1：超級電容器的最大功率

超級電容器的另一個優(yōu)勢是充電和放電速度快。這些設備通過吸收和釋放離子來實現充電和放電。這是由于超級電容器的內部串聯電阻較低，可在不損壞零件的情況下實現大電流充放電。

超級電容器的兩個主要缺點是每個電池的電壓較低，以及不適合交流和高頻電路。根據超級電容器的材料成分，電池電壓負載可從 2.1 V 到 4 V。但典型值為 2.7 V。如果應用需要更高的電壓，那么必須串聯多個電池。

由于時間常數問題，超級電容設備不是特別適合交流和高頻電路。對于超級電容器，RC 時間常數具有不同的含義，與普通電容器中所指的過濾器不同。

利用 RC 時間常數的一種方式是作為電容器充放電所需時間的計量單位。這些時間對于使用電容器來儲存能量的電源和能源應用來說很重要。傳統電容器的 RC 時間常數大致為數微秒到數十微秒。相反，超級電容器的 RC 時間常數大約為 1 秒。這個響應時間更慢是因為電容更大（法拉）。

不過，電容更大讓超級電容器十分適合儲存能量。相比其他儲能設備—如電池—超級電容器的速度非常快。這使得它們十分適合需要儲存和釋放快速激增能量的應用，如再生制動。

“曾經，電容器的‘能量儲存’能力相比電池來說微乎其微，從來沒有認真考慮過將其作為電池的替代品，”Synopsys 科學家 Jamil Kawa 說道。.“超級電容器大大提高了單位體積的能量儲存能力。它尚未達到電池或燃料電池的儲能能力，但考慮到它有一些優(yōu)于電池的特性，因此競爭力已經與電池十分接近。”

電池長期以來一直都是能量儲存標準。它們怎么會被電容器打敗？就算是‘超級’電容器也不太可能吧？首先，電池在幾百或上千次循環(huán)之后變會失去充電能力。但是，在實際使用中，電容器具有無限的充放電循環(huán)壽命。  

其次，電容器的內阻比電池低得多。它們提供的瞬時功率（每單位時間的能源）比電池高。“這一點很重要，”Kawa 解釋說。“盡管電池的能量含量比同等超級電容器高，但后者可提供更高的瞬時功率。”

最后，對于具有能量收集機制的物聯網 (IoT) 應用，將這種性能強大的儲能設備整合到芯片中的能力是一個非常重要的要求。超級電容器和微型電池是滿足這些需求的理想之選。

超級電容器對比其他儲能技術

超級電容器相比電池，甚至是燃料電池等其他儲能設備如何？圖 2 提供了直觀的對比，電池和超級電容器的每一類別對應功率密度/能量密度矩陣。燃料電池的能量密度最高，但功率密度很低。電池總的來說比超級電容器的能量密度要高，但超級電容器緊隨其后，功率密度比電池高一些。

圖 2：片上儲存解決方案中的可充電電池對比超級電容器

應用

如今，超級電容器可用于穩(wěn)定波動負載以及為移動電子產品快速充電。此外，這些電容設備可作為電源緩沖，具有緩解電壓波動等功能。
 
大型超級電容器正越來越多地用于需要初始高扭矩的工業(yè)應用。小型超級電容器，尤其是可以繼承在小型模塊中的那些超級電容器，將為不可更換電池的應用充電，如能量收集應用。

在大多數應用中，超級電容器將不會取代電池，但有可能與之共存。根據 Kawa 的說法，超級電容器設備將用于需要高水平瞬時功率的情況，以及與能量收集技術一樣的快速充電應用。無法穩(wěn)定提供可再生能源時，將需要使用電池來應對“黑暗時期”。