基础电子学系列16 – 超级电容器

发布人：电子资料库时间：2023-03-04 来源：工程师发布文章

在之前的教程中，我们讨论了使用电容器、电容器的特性、各种类型的电容器以及为给定电路选择电容器。正如我们所知，典型的商业电容器的电容在皮法拉、纳法拉或微法拉范围内。这些电容器可提供的最大电容为 1 法拉。如果需要更高的电容，则电容器将需要非常大，这可能适合也可能不适合典型的电子电路。

输入超级电容器。这些电化学型电容器体积小，可以提供数十、数百甚至数千法拉的电容。它们不仅可以存储大量电荷，而且还可以经历数千次充放电循环而不会出现任何磨损。这就是为什么这些电容器（也称为超级电容器）可用于许多新兴技术，例如混合动力汽车、有源滤波器、可再生能源、UPS、智能手机和便携式电子产品。

他们的工作
超级电容器用于存储大量电荷作为静电场。与电解质电容器一样，这些电容器也使用液体或固体电解质。但是，它们存储电荷的方式完全不同。在典型的电容器中，电荷是由于介电材料的极化而存储的。在超级电容器中，电解质不用作电介质。它仅向电极提供电荷载流子。相反，电荷是通过电极上相反电荷载流子的积累来存储的。

这些电容器的电极由多孔活性炭或碳纳米管组成，能够在其中吸引大量电荷。最小距离将电极分开并且在它们之间具有隔板以避免多孔电极之间的短路。使用活性炭作为电极和电极之间的最小距离使这些电容器能够以小尺寸存储大量电荷。

构造
超级电容器的构造有点像电解电容器。它们有两个由多孔活性碳涂层或碳纳米管组成的电极。涂层是在用作集电器的金属箔（通常是铝）上实施的。涂有电极的集电器浸入电解质中。

超级电容器的示意图（图片来源：维基百科）

电解质可以是液体或固体。在大多数超级电容器中，由于端电压较高，固体电解质是首选。固体电解质一般是混合有导电盐类的溶剂。通常，乙腈或碳酸丙烯酯用作溶剂，四烷基铵或锂盐用作溶质。涂有电极的集电器由隔膜（纸膜）隔开，隔膜对电荷载体来说是透明的，但避免了电极之间的直接短路。由于集电器的双面电极涂层，这些电容器也称为双电层电容器 (EDLC)。

电极材料的高度多孔性使这些电容器能够从电解质中吸引大量电荷载流子。由于使用活性炭，集电器之间的有效表面积增加了许多倍。电容器的内阻 (ESR) 取决于电解质。电解质提供的电阻越低，电容器的功率密度就越大。

超级电容器通常具有非常低的额定电压，范围从 1V 到 3V。以下等式给出了超级电容器存储的电能：

P = V 2 /4R
其中，
P 是超级电容器存储的功率，
V 是施加电压（或额定电压），
R 是电容器的内阻 (ESR)

它们的工作原理
当在超级电容器的端子之间施加电势差时，电极开始从电解质中吸引相反的电荷载流子。正离子积聚在负连接处，负离子积聚在正连接处。电荷载流子储存在集电板上。由于集电器上相反电荷的积累，在它们之间建立了静电场。充电电流流过电容器，直到集电器之间的静电场与施加的电压相等且相反。电荷载流子由集电器保留，直到施加的电压降低或改变极性。

每当施加的电压降低时，一定数量的电荷载流子就会从集电器返回到电解质中。在此过程中，等效电流反向流过电容器。当极性改变时，超级电容器会经历类似的充电和放电循环。

您会看到超级电容器尽管采用电化学结构，但仍以静电场的形式存储电荷。它的工作原理与任何其他电容器完全一样。这就是为什么尽管结构类似于电池，但超级电容器仍被归类为电容器而不是电池。与电池相比，超级电容器可以经历数千次充放电循环。因此，它们可以作为电池供电电路中极好的充电源或备用电源。

实用的超级电容器
超级电容器电池具有非常低的端电压额定值，可能在 1V 到 3V 之间。在串联连接超级电容器电池时，它们的额定电压可以成倍增加。类似地，超级电容器单元的并联使有效电容成倍增加。因此，超级电容器通常用作电池矩阵，其中它们沿行串联连接并沿列并联连接。下式给出了电池组的最终额定电压：

V = N * V Cell
其中，
V 为电池组的有效端电压
N 为行数或每列串联的超级电容器电芯数
V Cell为单个超级电容器电芯的端电压

下式给出了电池组的有效电容：

C = (M/N)*C Cell
其中，
C为有效电容
M为列数或每行并联的超级电容器电芯数
N为行数或每行串联的超级电容器电芯数
C列Cell是单个超级电容器电池的电容

优点
超级电容器与其他电容器和电池相比具有以下显着优点：

能够以静电场的形式储存大量能量。
高功率密度和紧凑的尺寸，使其适合用于典型电子电路的电荷存储。
具有短时间充放电能力，可满足频繁的电力需求高峰，可短时供应大功率突发。
不涉及电化学反应，因此没有操作磨损并延长使用寿命。它们可以使用数十万次而无需更换。

应用
由于其电荷存储容量大、体积小以及快速充电和充电，超级电容器已在许多新兴技术中得到应用。超级电容器最终保留一席之地的主要领域之一是交通运输业。在电动汽车中，超级电容器用于制动系统以存储直流电机产生的反电动势。超级电容器存储的电荷可用于为车辆的电气系统供电并为电池充电。在电动汽车中，超级电容还可以作为电池的备用电源，因此需要安装更小的电池。混合动力汽车（在停车时完全关闭发动机）使用超级电容器在每次停车后重新启动发动机。