- 超級(jí)電容器的原理及結(jié)構(gòu)
- 超級(jí)電容器的特性
- 利用雙電層原理增加電容量
超級(jí)電容器的原理及結(jié)構(gòu)
1 .超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)
圖一為超級(jí)電容器的模型，超級(jí)電容器中，多孔化電極采用活性炭粉和活性炭和活性炭纖維，電解液采用有機(jī)電解質(zhì)，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作時(shí)，在可極化電極和電解質(zhì)溶液之間界面上形成的雙電層中聚集的電容量c由下式確定：
圖1 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)框圖
由圖中可見(jiàn)，其多孔化電極是使用多孔性的活性碳有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲(chǔ)很大的靜電能量，超級(jí)電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。電池相較之間，盡管這能量密度是5%或是更少，但是這種能量的儲(chǔ)存方式，也可以應(yīng)用在傳統(tǒng)電池不足之處與短時(shí)高峰值電流之中。這種超級(jí)電容器有幾點(diǎn)比電池好的特色。
2 .工作原理
超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器，原理示意圖如圖2。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。
當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電 ，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。
3. 主要特點(diǎn)
由于超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)及工作原理使其具有如下特點(diǎn)：
圖2 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)框圖
①.電容量大，超級(jí)電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計(jì)算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過(guò)1F，它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可達(dá)5000F。
②.充放電壽命很長(zhǎng)，可達(dá)500 000次，或90 000小時(shí)，而蓄電池的充放電壽命很難超過(guò)1 000次，
③.可以提供很高的放電電流（如2700F的超級(jí)電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá)1680A，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流一些高放電電流的蓄電池在雜如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。
④.可以數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池再如此短的時(shí)間內(nèi)充滿電將是極危險(xiǎn)的或幾乎不可能。
⑤.可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作（-40℃~+70℃）而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作。
⑥.超級(jí)電容器用的材料是安全的和無(wú)毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池軍具有毒性。
⑦.等效串聯(lián)電阻ESR相對(duì)常規(guī)電容器大（10F/2.5V的ESR為110mΩ）。
⑧.可以任意并聯(lián)使用一增加電容量，如采取均壓后，還可以串聯(lián)使用。
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超級(jí)電容器特性
1. 額定容量：
單位：法拉（F），測(cè)試條件：規(guī)定的恒定電流（如1000F以上的超級(jí)電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）充電到額定電壓后保持2～3分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時(shí)間與電流的乘積再除以額定電壓值，即：
由于等效串聯(lián)電阻（ESR）比普通電容器大，因而充放電時(shí)ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，如2.7V/5 000F超級(jí)電容器的ESR為：0.4mΩ，在100A電流放電時(shí)的ESR電壓降為40mV占額定電壓的1.5%，在950A電流放電時(shí)的ESR電壓降為380mV占額定電壓的14%，表明在額定電流下放電容量將為額定容量減小88.5%，這一特性將在圖3中看到。
2. 額定電壓：
可以使用的最高安全端電壓（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久將來(lái)的3V），除此之外還有承受浪涌電壓電壓（可以短時(shí)承受的端電壓，通常為額定電壓的105%），實(shí)際上超級(jí)電容器的擊穿電壓遠(yuǎn)高于額定電壓（約為額定電壓的1.5~3倍左右，與普通電容器的額定電壓/擊穿電壓比值差不多。
圖3 2.7v/2700F超級(jí)電容器入電特性曲線
圖4 超級(jí)電容器阻抗頻率特性
3. 額定電流：
5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，除此之外還有最大電流（脈沖峰值電流）
4. 最大存儲(chǔ)能量：
在額定電壓是放電到零所釋放的能量，以焦耳（J）或瓦時(shí)（Wh）為單位
5. 能量密度：
最大存儲(chǔ)能量除以超級(jí)電容器的重量或體積（Wh/kg或Wh/l）
6. 功率密度：
在匹配的負(fù)載下，超級(jí)電容器產(chǎn)生電/熱效應(yīng)各半時(shí)的放電功率，用kW/kg或kW/l表示。
7. 等效串聯(lián)電阻：
測(cè)試條件：規(guī)定的恒定電流（如1 000F以上的超級(jí)電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）和規(guī)定的頻率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。通常交流ESR比直流ESR小，隨溫度上升而減小。
超級(jí)電容器等效串聯(lián)電阻較大的原因是：為充分增加電極面積，電極為多孔化活性炭，由于多孔化活性炭電阻率明顯大于金屬，從而使超級(jí)電容器的ESR較其它電容器的大。
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8. 阻抗頻率特性：
超級(jí)電容器的阻抗頻率特性如圖4，相對(duì)較大的是ESR造成平坦底部的原因，超級(jí)電容器的頻率特性是電容器中頻率特性最差的。其原因是：一般電容器的電荷是導(dǎo)體中的以電子導(dǎo)電方式建立或泄放，而超級(jí)電容器的電荷的建立或泄放是以介質(zhì)中的離子或介質(zhì)電離極化實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度相對(duì)慢；大容量電容器在制造時(shí)均采用卷繞工藝，寄生電感相對(duì)無(wú)感電容器大。
9. 工作與存儲(chǔ)溫度：
通常為-40℃??+60℃或70℃，存儲(chǔ)溫度還可以高一些。
10. 漏電流：
一般為10μA/F
11. 壽命：
在25℃環(huán)境溫度下的壽命通常在90 000小時(shí)，在60℃的環(huán)境溫度下為4 000小時(shí)，與鋁電解電容器的溫度壽命關(guān)系相似。壽命隨環(huán)境溫度縮短的原因是電解液的蒸發(fā)損失隨溫度上升。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。
12. 循環(huán)壽命：
20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇時(shí)間：10秒為一個(gè)循環(huán)。一般可達(dá)500000次。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。
圖5 額定溫度下紋波電流與壽命的關(guān)系
圖6 不同環(huán)境溫度下紋波電流與壽命的關(guān)系
13. 發(fā)熱：
超級(jí)電容器通過(guò)紋波電流（充、放電）時(shí)，回發(fā)熱，其發(fā)熱量將隨著紋波電流的增加而。超級(jí)電容器發(fā)熱的原因是紋波電流流過(guò)超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）產(chǎn)生的功率（能量）損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于超?jí)電容器的（ESR）較大，因此在同樣紋波電流條件下發(fā)熱量比一般電容器大。使用時(shí)應(yīng)注意。
注意事項(xiàng)
超級(jí)電容器在串聯(lián)應(yīng)用時(shí)特別是較大電容量是應(yīng)采用均壓技術(shù)以保證每一個(gè)超級(jí)電容器單體端電壓再額定電壓內(nèi)，目前國(guó)內(nèi)已有各種規(guī)格的超級(jí)電容器均壓電路商品。
國(guó)內(nèi)外狀況
超級(jí)電容器通常耐壓為2.5～3V，也有耐壓為1.6V的產(chǎn)品。主要有美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯和中國(guó)等國(guó)家生產(chǎn)。比較知名的公司有：Maxweii、Epcos、Nesscep、ELNA、NEC、松下等。我國(guó)有錦州超容等企業(yè)，從容量上看有機(jī)系的國(guó)外達(dá)到2.7V/5 000F，國(guó)內(nèi)的錦州超容接近這一水平。體積在逐年減小，120F/2.7V已做到直徑20毫米高40毫米，3F/2.7V直徑8毫米高20毫米。ESR在小容量中接近0.3Ω.F，大容量接近0.45Ω.F，0.5Ω.F。能量密度和功率密度分別達(dá)到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循環(huán)壽命和壽命分別達(dá)到500 000次和90 000小時(shí)。
