基礎電子學(xué)系列16 – 超級電容器

在之前的教程中，我們討論了使用電容器、電容器的特性、各種類(lèi)型的電容器以及為給定電路選擇電容器。正如我們所知，典型的商業(yè)電容器的電容在皮法拉、納法拉或微法拉范圍內。這些電容器可提供的最大電容為 1 法拉。如果需要更高的電容，則電容器將需要非常大，這可能適合也可能不適合典型的電子電路。

輸入超級電容器。這些電化學(xué)型電容器體積小，可以提供數十、數百甚至數千法拉的電容。它們不僅可以存儲大量電荷，而且還可以經(jīng)歷數千次充放電循環(huán)而不會(huì )出現任何磨損。這就是為什么這些電容器（也稱(chēng)為超級電容器）可用于許多新興技術(shù)，例如混合動(dòng)力汽車(chē)、有源濾波器、可再生能源、UPS、智能手機和便攜式電子產(chǎn)品。

他們的工作
超級電容器用于存儲大量電荷作為靜電場(chǎng)。與電解質(zhì)電容器一樣，這些電容器也使用液體或固體電解質(zhì)。但是，它們存儲電荷的方式完全不同。在典型的電容器中，電荷是由于介電材料的極化而存儲的。在超級電容器中，電解質(zhì)不用作電介質(zhì)。它僅向電極提供電荷載流子。相反，電荷是通過(guò)電極上相反電荷載流子的積累來(lái)存儲的。

這些電容器的電極由多孔活性炭或碳納米管組成，能夠在其中吸引大量電荷。最小距離將電極分開(kāi)并且在它們之間具有隔板以避免多孔電極之間的短路。使用活性炭作為電極和電極之間的最小距離使這些電容器能夠以小尺寸存儲大量電荷。

構造
超級電容器的構造有點(diǎn)像電解電容器。它們有兩個(gè)由多孔活性碳涂層或碳納米管組成的電極。涂層是在用作集電器的金屬箔（通常是鋁）上實(shí)施的。涂有電極的集電器浸入電解質(zhì)中。

超級電容器的示意圖（圖片來(lái)源：維基百科）

電解質(zhì)可以是液體或固體。在大多數超級電容器中，由于端電壓較高，固體電解質(zhì)是首選。固體電解質(zhì)一般是混合有導電鹽類(lèi)的溶劑。通常，乙腈或碳酸丙烯酯用作溶劑，四烷基銨或鋰鹽用作溶質(zhì)。涂有電極的集電器由隔膜（紙膜）隔開(kāi)，隔膜對電荷載體來(lái)說(shuō)是透明的，但避免了電極之間的直接短路。由于集電器的雙面電極涂層，這些電容器也稱(chēng)為雙電層電容器 (EDLC)。

電極材料的高度多孔性使這些電容器能夠從電解質(zhì)中吸引大量電荷載流子。由于使用活性炭，集電器之間的有效表面積增加了許多倍。電容器的內阻 (ESR) 取決于電解質(zhì)。電解質(zhì)提供的電阻越低，電容器的功率密度就越大。

超級電容器通常具有非常低的額定電壓，范圍從 1V 到 3V。以下等式給出了超級電容器存儲的電能：

P = V 2 /4R
其中，
P 是超級電容器存儲的功率，
V 是施加電壓（或額定電壓），
R 是電容器的內阻 (ESR)

它們的工作原理
當在超級電容器的端子之間施加電勢差時(shí)，電極開(kāi)始從電解質(zhì)中吸引相反的電荷載流子。正離子積聚在負連接處，負離子積聚在正連接處。電荷載流子儲存在集電板上。由于集電器上相反電荷的積累，在它們之間建立了靜電場(chǎng)。充電電流流過(guò)電容器，直到集電器之間的靜電場(chǎng)與施加的電壓相等且相反。電荷載流子由集電器保留，直到施加的電壓降低或改變極性。

每當施加的電壓降低時(shí)，一定數量的電荷載流子就會(huì )從集電器返回到電解質(zhì)中。在此過(guò)程中，等效電流反向流過(guò)電容器。當極性改變時(shí)，超級電容器會(huì )經(jīng)歷類(lèi)似的充電和放電循環(huán)。

您會(huì )看到超級電容器盡管采用電化學(xué)結構，但仍以靜電場(chǎng)的形式存儲電荷。它的工作原理與任何其他電容器完全一樣。這就是為什么盡管結構類(lèi)似于電池，但超級電容器仍被歸類(lèi)為電容器而不是電池。與電池相比，超級電容器可以經(jīng)歷數千次充放電循環(huán)。因此，它們可以作為電池供電電路中極好的充電源或備用電源。

實(shí)用的超級電容器
超級電容器電池具有非常低的端電壓額定值，可能在 1V 到 3V 之間。在串聯(lián)連接超級電容器電池時(shí)，它們的額定電壓可以成倍增加。類(lèi)似地，超級電容器單元的并聯(lián)使有效電容成倍增加。因此，超級電容器通常用作電池矩陣，其中它們沿行串聯(lián)連接并沿列并聯(lián)連接。下式給出了電池組的最終額定電壓：

V = N * V Cell
其中，
V 為電池組的有效端電壓
N 為行數或每列串聯(lián)的超級電容器電芯數
V Cell為單個(gè)超級電容器電芯的端電壓

下式給出了電池組的有效電容：

C = (M/N)*C Cell
其中，
C為有效電容
M為列數或每行并聯(lián)的超級電容器電芯數
N為行數或每行串聯(lián)的超級電容器電芯數
C列Cell是單個(gè)超級電容器電池的電容

優(yōu)點(diǎn)
超級電容器與其他電容器和電池相比具有以下顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：

• 能夠以靜電場(chǎng)的形式儲存大量能量。

• 高功率密度和緊湊的尺寸，使其適合用于典型電子電路的電荷存儲。

• 具有短時(shí)間充放電能力，可滿(mǎn)足頻繁的電力需求高峰，可短時(shí)供應大功率突發(fā)。

• 不涉及電化學(xué)反應，因此沒(méi)有操作磨損并延長(cháng)使用壽命。它們可以使用數十萬(wàn)次而無(wú)需更換。

應用
由于其電荷存儲容量大、體積小以及快速充電和充電，超級電容器已在許多新興技術(shù)中得到應用。超級電容器最終保留一席之地的主要領(lǐng)域之一是交通運輸業(yè)。在電動(dòng)汽車(chē)中，超級電容器用于制動(dòng)系統以存儲直流電機產(chǎn)生的反電動(dòng)勢。超級電容器存儲的電荷可用于為車(chē)輛的電氣系統供電并為電池充電。在電動(dòng)汽車(chē)中，超級電容還可以作為電池的備用電源，因此需要安裝更小的電池?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)（在停車(chē)時(shí)完全關(guān)閉發(fā)動(dòng)機）使用超級電容器在每次停車(chē)后重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。

CAP-XX GW134T Thinline 超級電容器與一張 SD 卡、一美分硬幣和一張****合照。（圖片：CAP-XX）

超級電容器的另一個(gè)有用應用是牽引車(chē)輛。牽引車(chē)輛經(jīng)歷加速、巡航和減速的多個(gè)階段。超級電容器可用于此類(lèi)車(chē)輛，以應對電壓波動(dòng)和運行功率損耗。

如今，超級電容器通常與智能手機、筆記本電腦和計算機的顯示單元一起使用，以在短時(shí)間內為屏幕供電。這些也用于存儲設備和備用電源。

超級電容器現在用于許多其他需要緊急備用電源或即時(shí)功率爆發(fā)的應用領(lǐng)域。超級電容器與電池的組合可以實(shí)現更小和緊湊的電源。

在下一個(gè)教程中，我們將討論電感器。