前言：二次电池以电化学反应来储能，能量密度高，充放电速度却慢。电容器虽充放电速度快而具有高功率密度特性，物理储能效果却不佳。超电容是介于二次电池与电容间的产物，透过部分物理储能、部分化学储能架构，功率密度及能量密度介于电池与电容间，使用寿命则远较电池长。据业者估计，2005年全球超电容市场规模约1.9亿美元，2011年可成长至5.6亿美元。
产品原理及发展沿革
储能组件广泛运用于家电设备、手持式装置及交通工具等产品，满足人们对独立能源系统的需求。狭义的储能组件主要指电池，包含一次电池及二次电池产品；广义的储能组件则泛指所有具备储能功能的组件，连同暂时性储能的电容及电感等皆包括在内。
图说：电解电容与二次电池的储能原理不同，能量密度与功率密度表现各具优势。
电解电容架构及原理
电解电容主要由电蚀箔、化成箔、电解液及隔离纸构成。电蚀箔乃将铝箔施以电蚀制成，主要在使其凹凸不平以增加极板的接触面积；化成箔则是在电蚀箔表面生成氧化物薄膜(Al2O3)，以此氧化薄膜充当电容的介电层；电解液功能在以离子导电的方式连通负极箔，形成紧贴介电层的阴极部份。
由于电解电容是以对极板充电的物理方式来储能，其储能大小受限于电容值的大小，效果远较化学储能为差。一般而言，电解电容的能量密度不到0.1Wh/kg，约在二次电池的100分之1以下。尽管如此，电解电容由于充放电速度快，可在短时间内将能量储存或释放掉，功率密度比电池高出近数百倍。
二次电池的架构及原理
以锂离子电池为例，电池正极为涂布锂钴氧化物铝箔，负极则为涂布碳膜铜箔，两极板间为电解液加隔离纸结构。电池储存电量大小主要取决于负极材料结构，负极所能容纳锂离子数目越多，电池储电量就越大。
电池是以电化学反应储能，充电正极会进行释放锂离子氧化反应，负极则将游离锂离子安置于碳结构中、并将其还原成锂原子，能量便以化学电位能形式储存于反应机构中。电池虽然具有高能量密度优点，但化学反应多在发生于电极材料内部，反应涉及的电子转移速度慢，功率密度多在0.5kW/kg以下，远较电解电容差。
能量密度大可延长产品使用时间，功率密度大则可供应产品瞬间爆发能量。随应用产品不同，对储能组件特性的要求就不尽相同。以电动车为例，若储能装置能量密度低，则车子必须常常充电；若储能装置功率密度低，则车子的行驶速度及爬坡能力可能就受限。超电容由于兼具二次电池及电解电容的架构，其产品特性表现则介于两者之间，可提供应用产品另一种选择。
超电容的架构及原理
超电容产品架构发展可分为两主轴，即电双层架构的电双层电容(EDLC：Electric Double-Layer Capacitor)以及多了法拉第反应的电化学电容(EC：Electrochemical Capacitor)，其中电化学电容器又称为拟电容(Pseudo-Capacitor)。
电双层电容(EDLC)是指当极板充电时，电解溶液中的正负离子将分别移动至正负极板并形成电双层结构，由此正负离子分开的现象产生电容效应，并储存电能。EDLC的电容值远远大于电解电容，主要导因于单位表面积(A)增加及间距(d)缩小。由于EDLC的电极多以活性碳、奈米碳管、碳气凝胶等多孔性碳系导电材料为主，该材料的单位质量表面积(m2/g)远大于电解电容。此外，EDLC电容间距相当于正负离子尺寸奈米等级，远小于电解电容介电层厚度微米等级。在表面积增加及有效间距降低下，EDLC的比电容值约在100F/g，可达电解电容的数十倍以上。
电化学电容(EC)与EDLC的架构大致类似，差别在电极材料。EC将EDLC的碳系电极材料，改由其它活性物质如金属氧化物(RuO2)或导电高分子等来取代。透过活性材料的使用，可增加电极表面离子吸附强度、或进而产生氧化还原反应，产生法拉第电流。EC除了具有EDLC电双层电容的物理储能效应外，还多了法拉第反应的化学储能效应。因此，比电容值又可达EDLC的数十倍以上。
超电容的能量密度虽然较电池低，但由于其储能反应仅在电极材料表面发生，有别于电池须深入电极材料的内部，因此内阻小、充放电速度快，功率密度表现较电池为佳；超电容的充放电速度及功率密度较电容差，但在表面积增加、有效间距降低以及法拉第反应的帮助下，能量密度远较电容为高。
超电容的主要缺点为耐电压低及高价格能量比($/Wh)。耐压主要受限于电解质的分解电压(水系电解质1V、有机电解质约2.5V)，超电容耐压的提升可以透过组件的串联来达成。产品价格则主要受到电极材料的影响，未来仍须持续研发低价材料并投资自动化生产的设备，才可制造出更具价格竞争力的产品。
产品应用及规格挑选
超电容的应用市场主要分为瞬时备用电源与高功率脉冲两大类，瞬时备用电源的应用主要是在电源关闭或故障时，担任暂时供电的角色，有些应用甚至以超电容直接替代二次电池。高功率脉冲的应用大多出现于混合电源系统，该系统结合二次电池与超电容，超电容可在瞬间充放时作为电池的辅助，可增加二次电池的使用寿命。
厂商间策略布局不尽相同 依产品特性可分为高电容及低ESR两大发展主轴
高电容量超电容主要以瞬时备用电源的应用为主，如家电产品的暂存内存维持、PC断电时硬盘磁头归位、紧急安全门开启等，甚至在玩具及低价电子产品也有以超电容来取代电池的应用。高电容量特性与超电容的能量密度较为相关，组件架构以平价的EDLC搭配耐高压特性的有机电解液为主流。由于有机电解液的离子直径远较水系电解液大，厂商对电极材料孔径大小控制能力极为重要。此外，提升组件中与能量储存直接相关材料重量比率，也是增加组件能量密度重要方向。
低ESR超电容大多用于高功率脉冲线路，在电动工具机、手持式装置、太阳能系统、UPS系统、电动车及汽电混合车等产品可看到相关应用。低ESR与功率密度(RC时间常数)有关，在大型应用产品部分仍以EDLC为主，小型产品如手持式装置已开始导入价格相对较高的EC架构。一般来说，要降低ESR可透过减少电极材料厚度及使用水系电解液等方式来达成，其中控制电极材料厚度为增减功率密度与能量密度，并调整RC时间常数最为直接的方式。
在超电容产品的规格挑选上 依据应用产品特性的不同各有必须注意的要点
超电容厂商提供产品规格数据繁多，除了尺寸大小、方形或圆形等与机构设计较为相关的信息外，电容值大小及ESR可说是工程师在产品挑选上最须优先考虑与计算的规格，分别介绍如下：
△电容值的选取
当超电容应用于瞬时备用电源时，电容值大小的决定为首要任务。挑选的基本原理如公式(1)：
1/2×(V1-V2)×I×T=1/2×C×(V12-V22) ----------- 公式(1)
该公式隐含的意义是超电容将在备用时间(T)内持续提供电流(I)给负载，线路的工作电压则将由V1下降至V2，其中V1为主电源断电前正常工作电压，V2则为断电后线路正常运作所需最小电压。
△ESR值的选取
当超电容应用于高功率脉冲线路时，决定ESR的大小为首要任务。挑选的基本原理如公式(2)：
(V1-V2)=I×(ESR+T/C) ----------- 公式(2)
该公式隐含的意义是超电容将在高脉冲期间(T)提供瞬间电流(I)给负载时，线路工作电压将由V1下降至V2，其中(V1-V2)不可超过线路容许的最大压降。当电流由超电容流出时，造成压降的成分包含内阻产生的I×ESR及电容本身压降的I×T/C。在一般情况下，电容压降的部分远小于内阻产生的压降，故ESR大小为该类线路的衡量重点。
结语：超电容产品综合了电容与电池的特性，使得工程师在能量密度与功率密度的取舍及选择上更具弹性。该产品虽然历经了数十年发展，但先前受限于电极材料成本偏高使得产品售价无法快速降低，市场主要局限于维持家电产品内存暂存数据等应用。展望未来，随着低价电极材料的研发及导入，超电容的产品售价可望持续降低。再加上终端应用如电动车、汽电混合车、太阳能系统及无线通讯等产品市场蓬勃成长，超电容可望发挥其瞬间充放电、热损耗低、寿命长及材料环保等优点，成为快速成长且众所瞩目的明星产品。（本文由台湾工业银行综合研究所王志方先生提供）
