能量收集應(yīng)用依賴于來自環(huán)境源的小而不規(guī)則的能量產(chǎn)生，例如光，振動或射頻，并且通常需要某種形式的能量存儲以滿足峰值需求。電化學(xué)雙層電容器（EDLC）或超級電容器具有適合能量收集環(huán)境的性能特征。工程師可以從廣泛的設(shè)備特性和設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行選擇，這些系統(tǒng)能夠從環(huán)境源中清除電力，并滿足日益復(fù)雜的設(shè)備和應(yīng)用所需的峰值功率需求。

雖然材料和制造技術(shù)各不相同，但超級電容器是由兩個(gè)涂有多孔材料的集電器基板制成的，例如懸浮在液體電解質(zhì)中的碳或固體導(dǎo)電聚合物，其間有薄屏障（圖1）。施加的電位導(dǎo)致離子聚集在每個(gè)收集器上，而屏障阻止電荷在它們之間移動。在儲能或釋放過程中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這些過程是可逆的，從而產(chǎn)生可以充電和放電數(shù)十萬次循環(huán)的裝置。

圖1：雖然具體的制造方法和材料各不相同，但典型的超級電容器依賴于懸浮在電解質(zhì)或聚合物中并被屏障隔開的兩個(gè)集電極之間的靜電勢。 （來源：Cornell Dubilier Electronics）

在電極上使用多孔材料會產(chǎn)生大量的電荷存儲表面積，而電極 - 電解質(zhì)界面上形成的電荷分離會導(dǎo)致分子尺寸的電荷分離。從基本物理學(xué)來看，電容為∞A/d，其中A是板面積，d是板之間的面積。因此，通過以數(shù)百或數(shù)千平方米和納米級間隔距離測量的有效板面積，超級電容器提供顯著的比能量或容量。這種能力才剛剛開始接近電池。然而，超級電容器比電池提供更大的比功率，因?yàn)殡姵刂械幕瘜W(xué)反應(yīng)相對較慢，并且超級電容器釋放能量很快，因?yàn)榉烹娺^程嚴(yán)格依賴于超級電容器的物理特性（見圖2）。

圖2：超級電容器能夠提供相對較大的電流突發(fā)，以滿足能量收集應(yīng)用中的峰值需求。 （來源：Taiyo Yuden）

雖然超級電容器可以消除對電池的需求，但某種應(yīng)用的功率要求可能需要連續(xù)的低功率電源，并輔以峰值功率需求。例如，無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要峰值功率用于在低功率模式下由傳感器隨時(shí)間收集的數(shù)據(jù)的無線通信突發(fā)。在這種類型的應(yīng)用中，超級電容器是電池的理想補(bǔ)充。雖然電池提供持續(xù)電源，但超級電容器可用于脈沖電源需求。

在這種配對配置中，超級電容器可延長電池壽命并減小所需電池的尺寸和成本。將超級電容器與電池配對還為諸如能量收集的應(yīng)用中的冷啟動問題提供了解決方案。在這里，系統(tǒng)面臨啟動的問題，沒有可用的存儲能量或沒有足夠的能量來允許系統(tǒng)完成初始化并從備用能源恢復(fù)足夠的電力以繼續(xù)正常運(yùn)行。

使用環(huán)境光的能量收集應(yīng)用可能在長時(shí)間狀態(tài)下可能面臨類似的挑戰(zhàn)，光能很少或沒有。可能有足夠的電源開始系統(tǒng)啟動，但沒有足夠的電力來允許系統(tǒng)完成啟動并開始有用的能量收集。過去，解決方案涉及使用更大的太陽能電池板或環(huán)境能量傳感器。使用超級電容器，能量采集設(shè)計(jì)可以啟動到一種模式，它首先為超級電容器充電，以提供足夠的電力來安全地完成系統(tǒng)初始化。

超級電容器的延長生命周期及其儲存和快速釋放相對大量能量的能力使它們對于能量收集應(yīng)用特別有效。它們的電氣特性使其成為能效至關(guān)重要的應(yīng)用的理想選擇。超級電容器具有極低的漏電流和低等效串聯(lián)電阻（ESR），即使在較高頻率下也具有出色的性能（見圖3），有助于確保幾乎所有來自環(huán)境源的能量都可用于電源應(yīng)用電路。

圖3：在典型的超級電容器中，ESR在頻率增加時(shí)保持相對平坦。來源：AVX

可提供低至0.16mΩ的ESR和高達(dá)5，000 F的電容，超級電容器可提供直徑小至3.8 mm的各種封裝。雖然制造商還提供針對具有更高電壓要求的電動工具和汽車應(yīng)用的超級電容器，但大多數(shù)器件系列都可用于能量收集設(shè)計(jì)的較低額定電壓。

例如，AVX BestCap系列提供額定電壓范圍為3.5至25 V的超級電容器，ESR低至25mΩ，漏電流范圍為5至120μA。其3.6 V BZ023A564Z 560 mF器件在1 kHz時(shí)的ESR為25mΩ，最大漏電流為40 uA。

同樣，工程師可以從各種制造商那里找到具有高電容和低ESR的部件。伊頓的M系列超級電容器的電容范圍為1.0至9.0 F，整個(gè)系列的ESR較低。 1.0 F M0810-2R5105-R在1 kHz時(shí)的ESR為200mΩ。其他制造商的1.0-F器件實(shí)現(xiàn)了相同數(shù)量級的ESR。在Elna America DZN系列中，2.5 V 1.0-F DZN-2R5D105T在1 kHz時(shí)具有100mΩESR，而來自Taiyo Yuden LR系列的2.3-V 1.0-F PAS0815LR2R3105具有70mΩESR并使用摻雜據(jù)該公司稱，這種無定形結(jié)構(gòu)可以存儲比傳統(tǒng)EDLC結(jié)構(gòu)更多的離子。對于其2.7 V 3.0-F ESHSR-0003C0-002R7 UltraCap系列器件，NessCap引用了1 kHz時(shí)的61mΩESR，72小時(shí)后的漏電流為8μA。

3-F系列的超級電容器仍可提供幾百毫歐的ESR。 Cornell Dubilier Electronics 3.3-F EDLHW335D2R3R EDL系列器件在1 kHz時(shí)具有300mΩESR。松下的AL系列3.3-E EEC-A0EL335在1 kHz時(shí)的ESR低于300mΩ。在4.7 F時(shí)，Nichicon的Evercap系列中的JUMT1475MHD在1 kHz時(shí)僅能達(dá)到400mΩ的ESR。

ESR通常會隨著容量的增加而下降，如愛普科斯和United Chemi-Con的超大電容部件所示。愛普科斯（EPCOS）B49410A2115Q000 Ultracap在1 kHz時(shí)僅需3mΩESR即可提供110 F電流，而該公司DLCAP系列中的United Chemi-Con DDLC2R5LGN351KA65S器件則為350 F，ESR僅為8mΩ。

超級電容器的耐久性，包括上面提到的超級電容器，通常需要很多年，但規(guī)格差異很大。雖然列出的許多部件的耐久性值為10年或更長，但此持續(xù)時(shí)間通常在室溫下列出。目錄和數(shù)據(jù)表規(guī)格通常顯示超級電容器在70°或80°C時(shí)的耐久性為1，000小時(shí)。工作溫度每降低10度，實(shí)際預(yù)期壽命周期將增加一倍，并且電壓降低與每個(gè)部件的額定電壓相比成比例地延長。通過精心的封裝和熱量管理，工程師可以期待超級電容器的使用壽命超過十年。