瞭解超級電容與電池的關係

隨著物聯網 (IoT)、工業物聯網 (IIoT)、可攜式電子產品以及工業廠房和資料中心等大型應用的興起，需要大量的可靠能源儲存資源的需求。電池直接為小型元件提供電源，而大型應用中的電池通常用於在主電源斷電時做為備用電源。

小型元件通常依靠鋰離子 (Li-ion) 或鹼性鈕釦電池，以達到小型化和最低維護的目標。鋰離子電池需要特別注意充電週期限制和安全性。備用電池在快速充電後電量會很快耗盡，必須更換。這些電池還需要複雜的電池管理系統，並且仍然有可能發生熱失控，影響安全。

電子電雙層電容 (EDLC)，或稱為超級電容，提供輔助電池的技術。電池可提供長期供電，而超級電容能提供短期的快速供電。超級電容也很環保，且不會發生熱失控，還能可靠運作長達 20 年。此類電容也可以作為唯一的能量儲存方式、搭配電池使用，或作為混合元件，最佳化電力傳輸。

本文簡要介紹與電池相關的超級電容。接著回顧一些典型的應用，如何獨立與搭配電池使用。採用 Eaton 的超級電容為例說明。

超級電容和電池的差別

相較於電池等電化學儲存元件，超級電容具有異常高的比功率容量。電池和超級電容以相似的功能供電，但運作方式不同。超級電容的運作方式與經典電容類似，在恆定放電電流的放電曲線中，電壓呈現線性下降。與電池不同的是，其能量儲存為靜電，因此元件中無化學變化，因此充電和放電作業幾乎完全可逆。這表示，超級電容可以耐受更多次的充放電循環。

電池以電化學方式儲存能量。鋰離子電池有平坦的放電曲線，在電池幾乎完全放電之前，呈現出幾乎恆定的電壓特性。由於化學機制的降額，鋰離子電池的充放電循環次數有所限制。溫度、充電電壓、放電深度等因素，都會影響電池容量降低。

鋰離子電池可能會發生熱失控、自燃甚至爆炸。充放電期間化學反應的電阻式加熱，無法避免會有熱生成。為此，需要針對電池的溫度進行監控，以確保使用者安全。

超級電容和鋰離子電池的規格比較

電池提供高能量密度。超級電容的能量密度比電池低，但有較高的功率密度，因為幾乎可以在瞬間放電。電池中的電化學過程需要更多時間才能將能量傳送至負載。這兩種元件可用於特定儲能需求 (圖 1)。

圖 1：超級電容和鋰離子電池的特性比較。(圖片來源：Eaton)

比較能量密度 (單位：Wh/L) 和功率密度 (單位：W/L)，顯示出兩元件之間最明顯的差異。這也會影響放電時間；超級電容旨在短暫的時間間隔 (暫態事件) 提供能量，而電池則用於長期的事件。超級電容可在幾秒鐘或幾分鐘內放電，電池則能提供數小時的能量。此一特性會影響其適合應用。

超級電容支援比電池更寬廣的工作溫度範圍。幾乎無損耗的靜電過程也有助於提升效率，達到更快的充電速率。

超級電容範例

Eaton 為需要高功率密度和快速充電的儲能應用，提供全系列可靠的超級電容。其超級電容的實體包裝有時與電池 (尤其是鈕釦電池) 的實體包裝相同，也提供傳統圓柱形電容封裝 (圖 2)。

圖 2：超級電容採用含徑向引線的標準圓柱形電容封裝；也提供與鋰離子電池鈕釦電池外型相同的封裝。(圖片來源：Eaton)

Eaton 的 TV1030-3R0106-R 是10 F 超級電容，最大工作電壓為 3 V。採用含徑向引線的圓柱形封裝，直徑為 10.5 mm (0.413 in)，高度為 31.5 mm (1.24 in)。其工作溫度範圍為 -25°C 至 +65°C，降額至 2.5 V 以下工作電壓時，工作溫度可延伸至 -25°C 至 +85°C。可儲存 12.5 mW/hr 的能量，輸出峰值功率為 86.5 W。其額定充電／放電週期為 500,000 次。

在許多應用中，超級電容可以取代鈕釦電池，例如記憶體備用電源。Eaton 的 KVR-5R0C155-R (圖 2，右) 是一款 1.5 F 超級電容，額定最大工作電壓為 5 V。其封裝尺寸與 20 mm 鈕釦電池相似。可提供 0.208 W 的峰值功率。工作溫度範圍為 -25°C 至 +70°C。可達到 500,000 次額定充電／放電循環。

提高超級電容能量密度

超級電容儲存的能量與其電容量和充電電壓的平方成正比。因此，可以藉由增加電池數量及並聯，增加能量密度。打造高電容量和更高工作電壓的超級電容模組，能達到更高的能量密度 (圖 3)。

圖 3：若要提升超級電容的能量密度，可以添加多個電池並提高工作電壓。(圖片來源：Eaton)

Eaton 的 PHVL-3R9H474-R 超級電容 (圖 3，左) 是一款 470 mF、3.9 V 的雙芯元件。具有 0.4 Ω 的極低有效串聯電阻 (ESR)，可減少傳導損耗，並且可提供 9.5 W 的峰值功率。其工作溫度範圍為 -40°C 至 +65°C。與上述超級電容一樣，其額定充電／放電週期為 500,000 次。實體封裝高 14.5 mm (0.571 in)、長 17.3 mm (0.681 in)、寬 9 mm (0.354 in)。

模組化超級電容組可以提供大量的備用能源。Eaton 的 XLR-16R2507B-R (圖 3，右) 的電容量為 500 F，最大工作電壓為 16.2 V。此模組的 ESR 為 1.7 mΩ，可提供 38.6 kW 的峰值功率。工作溫度範圍為 -40°C 至 +65°C (電池溫度)。其封裝高 177 mm (6.97 in)、長 417 mm (16.417 in)、寬 68 mm (2.677 in)。

混合超級電容

將超級電容和鋰離子電池的特性相結合，催生出一種稱為鋰離子電容 (LiC) 的混合超級電容。其不僅增加了超級電容的能量密度，還提供比電池更快的反應時間。鋰離子電容具有非對稱結構，使用鋰摻雜石墨陽極和活性碳陰極 (圖 4)。

圖 4：混合超級電容展現超級電容和鋰離子電池的特性。相較於電池，具有更多充電／放電循環次數和更高的放電率。(圖片來源：Eaton)

混合超級電容在結構上結合鋰電池的電化學性質與超級電容的靜電性質，為設計人員提供顯著的優勢。鋰離子電容採用電化學過程進行充電，但其完成深度比電池更小，進而提升充電／放電循環次數並達到更高放電速率。其放電曲線與超級電容非常相似。

以 HS1016-3R8306-R 為例，此 30 F、3.8 V 的混合超級電容，採用含徑向引線的圓柱形封裝。其 ESR 為 0.55 Ω，可提供 6.6 W 的峰值功率。工作溫度範圍為 -15°C 至 +70°C，並且具有 -15°C 至 +85°C 的延伸工作範圍，可進行降額，在 3.5 V 以下的電壓運作。在額定電壓和最高工作溫度下，其額定壽命為 1,000 小時。封裝尺寸為高 18 mm (0.709 in)、直徑 10.5 mm (0.413 in)。與超級電容一樣，其額定充電／放電週期為 500,000 次。

能量和功率密度圖

由儲能元件的能量和功率密度分佈，即可深入瞭解其可用性和有效運作持續時間 (圖 5)。

圖 5：由電池和超級電容元件的能量密度與功率密度交會圖，深入瞭解其運作時間。(圖片來源：Eaton)

此圖顯示能量密度與功率密度的關係。這些參數產生時間比率，也繪製在圖表上。高能量密度但低功率密度的元件位於左上角，這包括燃料電池和蓄電池。高功率密度但低能量密度的元件 (如傳統電容和超級電容)，則位於右下角。混合超級電容介於這兩者之間。特別需注意各個時間尺度；超級電容的工作時間為幾秒鐘，混合電容的工作時間為幾分鐘，電池的工作時間為數小時或更長。

儲能應用

儲能元件會在應用失去主電源時提供電力。以電腦記憶體的備用電源為例。此應用原先使用電池，但由於超級電容的充電／再充電循環次數明顯更高，因此現在正在思索如何運用於此類應用。此外，使用超級電容，無需在運作一年後更換電池。

超級電容也用於需依賴能源採集的物聯網和工業物聯網設計。車輛中也可找到類似的應用，例如儲存煞車回收的能量。

超級電容可在短時間內提供高功率輸出。可在關鍵設施中提供「穿越 (ride-through)」電力；以便在緊急發電機啟用前縮短約十秒的延遲。超級電容的充電時間與使用時間大致相同，並且可在斷電時快速恢復供電。

結論

在大多數儲能應用中，超級電容輔助電池的功能。超級電容具有較高且可立即使用的功率位準和快速充電時間，因此成為支援短期電力的理想選擇。具有不降額的高充電／再充電循環效能，因此可降低電池更換維護和庫存成本。