许多系统由可用的线路供电电源或可更换电池供电。然而，在其他情况下，许多系统需要不断捕获、存储然后输送能量来为系统供电。电量的范围可以从通过物联网和远程监控设备（例如智能电表）的能量收集获得的微量电量，到更大规模的电网级系统。情况是，在生成或捕获各种来源的能量时立即“实时”利用它是一回事。尽管如此，在实际应用中，通常需要有一个能量存储子系统，可以存储任何捕获的能量以供以后使用。
这种可补充的能量存储通常通过使用可充电电池（正式称为二次电池，与一次不可充电电池相反）或通过使用超级电容器来实现。本文将在简要介绍电池后重点讨论超级电容器。
从电池开始
众所周知，电池是提供能量存储的电化学装置，已经陪伴我们数百年了。这些年来，一直有两种使用最广泛、最常见的电池“化学成分”：初级碳锌电池和可充电铅酸电池，随着 1920 年左右汽车电动启动器的发展，它们真正崭露头角。
除了这两种化学物质外，还有数十种一次和二次电池材料和化学物质在使用。其中每一种都提供不同的参数特性，例如端电压、能量容量、重量和体积能量密度、安全考虑、主动放电率、自放电、工作温度、保质期和成本，仅举几例。还有与最佳充电电流和充电/放电循环次数（通常称为使用寿命）相关的因素。
对于大多数小型工程设计和许多大型工程设计（例如电动汽车），首选可充电电池基于锂化学物质。这一广泛的类别中有许多变体，每种变体都提供不同的性能属性和权衡。
然而，所有可充电化学物质的一个共同点是它们的有用充电/放电循环次数有限，大约是一个到几千个这样的循环，具体取决于它们的充电程度和放电深度。这成为反复充电和放电产品的负面因素，这在能量收集和日常循环情况下很常见，因此最终限制了它们的实用性。
输入超级电容器
超级电容器是一个很好的例子，说明了为什么在技术进步方面“永不言败”。如果您查看 20 世纪 60 年代甚至 70 年代有关电容器的教科书或学术论文，就会发现对于电容器的容量限制和物理尺寸有明确的说明。通常，在解释了电容器的物理原理及其能量容量 E 之后：
E = ½ CV 2
其中 C 是以法拉 (F) 为单位的电容，V 是电压，有人会指出，一法拉 (F) 数量级的电容器太大了，可能与文件柜或小书柜一样大，不切实际。
但对材料和表面技术的研究催生了新的结构和制造技术，并最终产生了所谓的超级电容器，其封装尺寸与其他基本无源器件相当，可提供数十甚至数百法拉的电流。超级电容器，也称为超级电容器，正式名称为双电层电容器（EDLC）。
经典电容器具有两个分开的导电板（无物理接触），并且它们之间有电介质；这种电介质的范围可以从真空、空气到非导电聚合物。
超级电容器的构造看似简单，实则更为复杂。超级电容器利用碳纳米管技术创造出非常大的表面积和极小的间隔距离（图1）。它们没有传统的介电材料（例如陶瓷、聚合物薄膜或氧化铝）来分隔电极，而是具有由活性炭制成的物理屏障，这样当电荷施加到材料上时，就会产生双电场它充当电介质。
图 1：双电层电容器 (EDLC) 或超级电容器使用复杂的材料和独特的结构来实现几十年前被认为“不可能”的电容体积密度。（图片来源：Kamcapower – 锦州凯美电力有限公司）
该双电层的厚度只有分子那么薄。相比之下，活性炭层的表面积极大，每克高达数千平方米。大表面积支持吸收大量离子。因此，充电/放电发生在活性炭电极上形成的离子吸收层中。双电层效应发生在电子导体和离子导体之间的界面处，几乎存在于所有电化学储能系统中，并且涉及所谓的亥姆霍兹层。
法拉能量存储，第 2 部分：超级电容器和电池
本文的前一部分介绍了超级电容器的背景，并简单地解释了其结构；显然，这是一个具有深厚物理、化学、材料科学考虑和制造问题的组件。第一批广泛使用的标准超级电容器于 1970 年代末和 20 世纪 80 年代初进入市场。它们主要用于易失性存储器的存储器备份，但由于成本和性能问题而没有得到大众市场的接受。然而，到了 20 世纪 90 年代，超级电容器的价格适中，并且具有卓越的性能和可靠性，因此开始被常规设计到系统中。相关的维基百科参考资料对他们的历史相当详细，同样重要的是，引用了许多信誉良好的来源，包括贸易媒体的新闻和学术期刊的论文。
超级电容器特性
除其他差异外，超级电容器的充电/放电特性与电池不同，无论电池化学成分如何（请注意，每种可充电电池化学成分都有自己的充电/放电曲线曲线）。图 1是这些设备的充电（顶部）和放电（底部）曲线的一般曲线。
图：（上）超级电容器的电压/电流充电（上）和放电（下）曲线与大多数可充电电池（例如锂离子电池）的电压/电流曲线非常不同。（图片来源：https://batteryuniversity.com）
与电池甚至非超级电容器一样，不存在“典型”超级电容器，但有代表性的超级电容器系列可以提供其基本特性的概述。例如，Eaton 的 HB 系列圆柱形超级电容器是一个带引线器件系列，用于通孔 PC 板安装，输出电压为 2.5 V （图 2）。该系列成员的电容和尺寸范围从 21 毫米长、8 毫米直径封装中的 3 法拉到 60 毫米长、18 毫米直径封装中的 110 法拉。超级电容器还提供“硬币”封装，以便与硬币电池插座兼容。
图 2：尽管超级电容器的法拉额定值要高得多，但它们看起来与传统电容器相似，并且具有可比的尺寸和封装，这些引线单元表明了这一点。（图片来源：eaton）
这些超级电容器的其他重要参数包括等效串联电阻 (ESR)，最大范围为 0.16 欧姆至 0.020 欧姆，脉冲电流为 1 A 至 24 A，连续电流为 1.1 A 至 8.7 A（最小范围）。分别是最大的版本。
电池呢？
自商业化以来，超级电容器主要用于在电源备份、能量收集和脉冲功率传输应用中提供连续电力以及短期能量存储。对于其中一些情况，单独使用电池可能会很好，但它们的一些固有特性会使它们不太适合。超级电容器单独用于小规模、极低功耗的应用，例如采集/物联网模块。它们还可以串联/并联组合作为电容器移动电源，用于大型 UPS 安装。它们在为医院等关键任务提供“桥接”电力方面特别有用，以便在主电源发生故障和备用发电机启动之间保持电力可用（通过逆变器）。
超级电容器与可充电电池的任何一般比较都只是一种概括，因为很大程度上取决于所比较的特定电池类型。尽管如此，表（图 4）很好地全面了解了超级电容器与锂离子电池的相对属性。然而，当然，这两种技术的功能和细节也在不断变化和进步——因此该表仅用作粗略指南和起点。
图 3：超级电容器和锂基可充电电池的顶级特性之间的比较是一个起点概括，因为两者随着不断的进步而存在许多变化。（图片来源：电池大学）
本文的第三部分探讨了组件管理和令人着迷的混合超级电容器/锂电池设备。
法拉电容储能
对于运行和备用电源以及能量存储，工程师可以在电池、超级电容器或“两者兼备”的混合超级电容器中进行选择。
就像可充电电池一样，超级电容器需要适当的管理来优化其性能并避免发生事故。在许多方面，两者的监管要求相似，但也存在一些差异。电源管理 IC (PMIC) 供应商认识到了这一点，并专门针对这种情况开发了器件，例如 Maxim MAX38889 超级电容器备用稳压器（图 1）。
图 1：MAX38889 监控和管理稳压器 IC 专为满足超级电容器的要求而设计。（图片来源：Maxim Integrated Products）
该 IC 设计用于在超级电容器和系统电源轨之间传输电力。当主电池存在且高于充电的最低系统电压时，MAX38889 为超级电容器充电。一旦超级电容器充电，电路就会将超级电容器保持在就绪状态。当移除主电池时，MAX38889从超级电容器汲取电力，并将系统电压调节至设定的备用电压。
超越超级电容器到混合电容器
可充电电池和超级电容器具有许多相似的功能和应用，但各自都有各自独特的优点和缺点。在许多情况下，设计师希望充分利用两者的优点，克服对方的明显缺点。
超级电容器相对于电池最显着的优势是它们能够连续充电和放电，而不会像电池那样退化。这就是电池和超级电容器结合使用的原因。当需要浪涌或能量爆发时，超级电容器将为系统供电。超级电容器可以快速充电和放电，而电池可以提供大量能量，因为它们可以在较长较慢的时间内存储和提供大量能量。
这实际上是由电路设计人员完成的，在同一设计中同时使用可充电电池和超级电容器，如 MAX38889 应用图所示。事实上，供应商将这两种器件封装在一个外壳中并将其称为混合器件是有意义的，以简化物料清单 (BOM) 并可能节省电路板空间。
但这种简单的共同封装解决方案仍然存在不足，因为所谓的混合设备不提供封装之外的任何技术优势。相反，供应商设计了一种更好的方法，创建了一种真正的混合超级电容器的独特能量存储设备。该设备结合了电池和超级电容器的功能，但不仅仅是将两种设备共同封装成一个。
相反，这种真正的混合技术实际上要复杂得多，其内部布置实际上将超级电容器与锂离子充电电池的材料和原理合并到一个结构中（图 2）。由此产生的组件既是电池又是超级电容器，但作为一个统一的设备，而不是作为单个封装中的两个不同的设备。
图 2：混合超级电容器加锂电池的物理结构并不是将两个不同组件明显封装在一个外壳中；相反，它是其基础材料和结构的混合。（图片来源：太阳诱电）
从构造的角度来看，基本超级电容器和混合超级电容器可能看起来相似，但混合超级电容器使用由掺有锂的石墨和不同电解质制成的阳极。每个超级电容器都有两个电极，一个类似于电池电极，另一个是标准超级电容器电极。因此，它们的能量密度更接近传统电池，比标准超级电容器高出 10 倍。
这些混合超级电容器的供应商包括太阳诱电（Taiyo Yuden，他们将其称为锂离子超级电容器，而不是混合超级电容器，这在技术上是完全正确的）、伊顿公司和 Maxwell Technologies, Inc（现为特斯拉的一部分）。
混合超级电容器以其他方式区别于传统超级电容器。与标准对称超级电容器相比，它们具有更高的工作电压（最大 3.8 V）以及更高的电容和能量密度（高达 10 倍），并且自放电和待机电流低得多。另一方面，传统超级电容器由于较低的ESR（等效串联电阻）而具有更高的功率容量，其工作温度范围更宽，并且可以安全地放电至零伏，而混合超级电容器无法完全放电。
与所有电子元件一样，性能随温度的变化是重要的设计考虑因素。虽然具体情况因供应商和型号而异（图 3），但它显示了来自一家供应商（伊顿）的两个混合超级电容器系列的 ESR 和电容性能与温度的关系。他们的 HSL 超级电容器针对较低温度进行了优化，可低至 -25 °C，而 HS 超级电容器的范围扩大至 +85 °C，并针对更高温度进行了优化。
图 3：任何组件（无论是二极管、晶体管、IC、电阻器、电容器、电池、超级电容器还是混合超级电容器）的温度性能都是一个重要的设计因素；这里是标准和扩展范围混合超级电容器之间 ESR 和电容的差异。（图片来源：伊顿）
就顶级参数而言，伊顿 HS 和 HSL 混合圆柱电池提供 30 F 至 220 F 之间的电容值，最大工作电压为 3.8 V。显示了该系列与电流、功率和能量相关的其他关键规格在（图4）中。
图 4：电容显然是混合超级电容器最明显的考虑因素，但其 ESR、各种电流、功率和能量规格也很关键。（图片来源：伊顿）
在大多数情况下，混合超级电容器需要电池管理系统（CMS），类似于与铅酸或锂离子电池相关的电池管理系统（BMS），但更简单。对于超级电容器（标准或混合），管理系统的目标是最大限度地延长产品的使用寿命，而电池系统则需要一个管理系统来保证安全。CMS 必须在 2.2 V 时停止放电，并在多个电池串联的设计中保持电池电压相等。
提供运行和备用能量存储以及电力传输是许多设计中的关键问题。工程师可以选择不可充电和可充电电池、超级电容器，甚至混合超级电容器。该决定涉及权衡，但可行、紧凑、无麻烦且具有成本效益的选择是可用的。
