儘管電池在不斷電系統 (UPS) 市場中很受歡迎，但它們也存在一些缺點，例如生命週期短、笨重佔空間、容易故障，以及因其有毒材料在處置時對環境造成危害。另一方面，超級電容器則因其低維護、更長的生命週期以及小巧輕便等特性而成為強勁的競爭者。
請繼續閱讀以了解：
- 超級電容器內部結構
- 其工作原理
- 這項革命性技術的各種應用
- 超級電容器與電池的差異
- 它們如何值得被考慮作為強固型不斷電系統中的一個組成部分
什麼是超級電容器？
超級電容器，又稱超電容器，是一種高密度、高功率儲能系統，在各行各業中作為電池的替代品，用於儲存能量並作為備用電源發揮關鍵作用。超級電容器提供短期的電力供應，從 30 秒到幾分鐘不等，而不是長期的能源。它們在轉換到長期備用電源或用於安全關機目的之前使用。
超級電容器如何工作？
超級電容器以靜電方式儲存能量，可實現快速充電和放電循環。乍看之下，超級電容器與電池相似，但兩者在儲存和釋放能量的方式上存在差異。要了解超級電容器的工作原理，需要考慮三個關鍵組件。讓我們來看看超級電容器的內部結構。
超級電容器內的三個基本組件是：
電極
超級電容器中的電極可以想像成兩片相互面對的薄片。每個電極都有一個特殊的表面，具有獨特的電荷保持能力。這些表面就像電能的磁鐵——它們對特定電荷產生吸引力，一片薄片會吸引正電荷，另一片薄片會吸引負電荷。超級電容器產生的電量（也稱為電容）與板的尺寸成正比，與板之間的距離成反比。
電解質
電解質是一種液體，電極板浸沒其中，就像水槽中充滿水的盤子。這種液體作為一種介質，幫助電容器中的電荷移動。具體來說，電解質提供導電性，促進兩個電極之間的電荷轉移和平衡，此外還為超級電容器提供絕緣和保護，防止電荷洩漏和短路。超級電容器的性能很大程度上受所用電解質種類的影響。
絕緣體
在超級電容器中，兩個電極之間由一層絕緣體物理隔開，就像一張濾紙。這層絕緣體防止兩個特殊表面接觸，從而將電荷分離，以防止它們過早混合。這種分離產生了電場，並促進了大量能量的儲存。這種能量以靜電方式產生，就像您將氣球摩擦衣服，摩擦產生的靜電會讓您將氣球靠近皮膚時頭髮豎起一樣。換句話說，沒有化學反應參與產生這種能量。超級電容器中儲存的能量也受到絕緣體厚度的影響。 
就像用水填滿水壩一樣，通過超級電容器的電流，正負離子會聚集在電極兩側，形成電雙層，從而儲存大量能量。當超級電容器需要工作時，電荷會通過電容器，並以快速的能量釋放衝擊為其連接的設備供電。超級電容器可以快速充電和放電，時間範圍為 1-10 秒，使其成為應急停電中令人嚮往的技術。
超級電容器和電容器有什麼區別？
超級電容器的儲存量是傳統電容器的 10 到 100 倍。超級電容器與傳統電容器的不同之處在於其設計。它們主要有兩個方面的差異：
- 電極材料。首先是超級電容器中電極所使用的材料。活性炭是一種多孔材料，具有更大的表面積，因此超級電容器能夠儲存更多的能量。
- 電極間距。其次，超級電容器的兩個電極之間的距離比傳統電容器小得多。在傳統電容器中，這個距離介於 10-100 微米之間，而在超級電容器中，這個距離急劇縮小到千分之一微米（作為參考，一根人類頭髮大約是 70 微米）。更小的距離產生更大的電場，從而導致更高的能量儲存水平。
總體而言，超級電容器的能量密度或電容遠高於普通電容器。
有趣的事實：超級電容器儲存的能量水平以法拉為單位，以英國物理學家麥可·法拉第（Michael Faraday，1791-1867）命名。
不斷電系統中的超級電容器與電池——超級電容器比電池更好嗎？
在不斷電系統中使用超級電容器比使用電池具有顯著優勢。
大功率快速充電和放電
它們充電時間短得多，釋放能量的速度也一樣快。超級電容器的功率密度比電池大得多，最高可達 100 倍。由於其較高的功率密度，它們可以做得更小巧，但仍能提供強大的性能。
更長的生命週期
超級電容器的壽命比電池長得多，最長可達 15 年，因為它們的循環次數高達 100 萬次。與通常壽命為 5-10 年的電池（如果電池處於滿負荷使用狀態，這個數字會減少到 4-8 年）相比，超級電容器的總體擁有成本 (TCO) 更低。
耐用性
超級電容器可以頻繁使用而不會顯著退化，相比之下，電池除了需要電池維護系統外，還需要更頻繁的例行維護。
更寬廣的工作溫度範圍
電池需要 20-25 攝氏度的操作溫度。每升高 10 攝氏度，電池的使用壽命就會減半。超級電容器對溫度波動不那麼敏感，可以在高達 40 攝氏度的寬廣溫度範圍內工作而不劣化，使其成為惡劣環境和設置的可行選擇，而無需額外支付冷卻系統的費用。
減少廢棄物和環境危害
電池使用有毒、腐蝕性和易燃材料製成，含有以下一種或多種成分：鎘、鉛、鋅、錳、鎳、銀、汞和鋰。如果處理不當，廢棄在垃圾填埋場，會導致環境污染，成為不可持續的解決方案。另一方面，超級電容器不使用有毒材料，從長遠來看可以降低處置成本。
在不斷電系統中使用超級電容器有哪些缺點？
儘管超級電容器比電池有許多優點，但電池有一個顯著的優勢，即它們具有特定的能量密度，可以儲存更長時間的能量，並在更長的時間內釋放這些能量，這使得電池成為更可靠、更穩定的電源。使用超級電容器的另一個缺點是其初始成本較高，由於製造電容器所需的材料成本高昂，例如電極所需的碳和石墨烯，因此它們比鉛酸電池更昂貴。為了比較超級電容器和電池的特性，下表提供了一個比較。
並排比較：超級電容器與電池
為了比較超級電容器和電池的特性，下表提供了一個比較。
|
特性 |
超級電容器 |
電池（鉛酸） |
|
循環壽命 |
+1,000,000 |
+500 |
|
工業使用壽命 |
10-15 年 |
5-10 年 |
|
充電時間 |
<5 分鐘，甚至幾秒鐘 |
10-60 分鐘 |
|
自放電（30 天） |
高 (5-40%) |
低（5% 或更少） |
|
比能量 (Wh/L) |
1-10 |
100-290 |
|
比功率 (W/L) |
1000-10,000 |
100-1000 |
|
放電效率 |
快 — 數秒/分鐘 |
慢 — 數分鐘/小時 |
|
儲存類型 |
物理性 (靜電) |
化學性 (電化學) |
|
每瓦 (kWh) 成本 |
2,500 美元 (典型) |
500 美元 |
|
冷作動溫度 |
-40°C |
-20°C |
|
熱作動溫度 |
70°C |
40°C |
超級電容器在工業上的應用
由於超級電容器能夠快速充放電，以及具有大量的充放電循環次數，超級電容器在許多工業應用中被證明是有益的。
在資料中心等關鍵任務操作中，或使用多個自動化機器的工廠中，發電機等電源可由超級電容器支援，以提供高效和有效的能源使用。與電池相比，超級電容器堅固耐用的特性使其在極端溫度的惡劣環境中應用時成為顯而易見的選擇。
超級電容器可應用的產業包括：
混合動力車的再生煞車系統
混合式超級電容器也用於電動車。當電動車減速時，車輛動能產生的能量會儲存在混合式超級電容器中，以便稍後在快速加速時使用。當電動車需要突然的能量輸出高峰時，超級電容器可輔助電池，從而提高電動車和電池的整體營運能源效率和產品生命週期。混合式超級電容器在電動車上的應用，有望減少碳排放和能源消耗，這是交通運輸業面臨的一大挑戰。
綠色能源
來自再生能源的能量必須大量儲存並長時間儲存。由於它們的生命週期較長，因此可降低維護和更換成本。此外，在儲存再生能源時，它們比電池更有效地平衡和儲存能量。這使得超級電容器成為適應再生能源高電流波動的合適儲能系統。
風力能源
由於風速不斷變化，風力渦輪機提供的波動功率輸出會干擾電壓和電網頻率的品質。這正是超級電容器可以發揮作用的地方，與電池相比，它可以在突發強風期間有效吸收大量的能量浪湧。超級電容器以其長循環壽命和高電流充放電能力，有助於延長風力渦輪機的生命週期，並在電流劇烈波動時穩定電網電壓。
太陽能
電池通常用於太陽能產業儲存電力，但太陽能電池的不穩定供電往往對電池壽命產生負面影響。由於陽光照射的不可預測性，電池會經歷磨損，從而縮短其生命週期。因此，超級電容器可以在混合系統中協同工作，以提高太陽能應用中的運營效率和降低維護成本。
工廠自動化
在以不間斷運作至關重要的工業自動化領域中，製造現場因停電造成的業務中斷可能造成毀滅性影響。為了應對這一挑戰，製造商可以將超級電容器納入其 UPS 系統，作為一種強大的解決方案。超級電容器能夠在停電時迅速提供瞬時備用電源並促進安全系統關機，確保關鍵流程順利進行，並防止代價高昂的中斷。此外，超級電容器可保護機械設備免受突然關機造成的磨損。藉由超級電容器備用電源系統，製造商可以無縫彌補電力中斷，最佳化營運效率，並維護其工業自動化設置的完整性，確保穩健高效的製造環境。
智慧交通系統與鐵路
超級電容器快速放電的能力確保了平穩、可靠的運作，可確保準時的排程、乘客安全並減少中斷。在智慧鐵路基礎設施中，輕軌交通 (LRT) 的超級電容器表現出色，可快速重新啟動有軌電車，提高效率並增強能量回收系統。這類備用電源和能源備援技術為關鍵任務鐵路運輸的車載和路旁運作提供了解決方案。此外，超級電容器為不間斷鐵路系統運作提供了可靠、低維護的電池替代方案。超級電容器備用系統可以調節鐵路部署中經常發生的巨大電壓波動，防止電腦短路。當電壓降至 0V 時，超級電容器備用系統可為電腦提供瞬時備用電源。工業級超級電容器備用電源系統可為連接的鐵路系統和基礎設施持續提供穩定電源，以實現資料備援。這些多面向的角色突顯了超級電容器在智慧交通系統和鐵路應用中提高安全性、可靠性和效率的潛力。
Premio 的 工業級超級電容器：EDGEBoost EnergyPack
Premio 的 EDGEBoost EnergyPack 是一種自給自足的工業級超級電容器，可作為全面 UPS 系統的一部分，在停電或斷電時為邊緣電腦、平板電腦、顯示器和其他 IIoT 裝置供電。ECO-1000 系列 EDGEBoost EnergyPack 就像智慧 UPS，但它不是使用電池，而是採用超級電容器技術，為惡劣邊緣運算環境中的遠端和行動環境提供更有價值的電源備援。
- 調節電壓波動
- 10 年長生命週期
- 具備 3 種智慧模式的安全關機功能
- 瞬時備用電源
