超级电容器的原理及应用

超级电容原理及应用

摘要

随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。在一些需要高功率、高效率解决方案的设计中，工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池。

电池技术的缺陷

Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，这也同样是采用铅酸电池（蓄电池）的设计者所面临的困难。同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，对于要求长寿命、高可靠性的某些应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。

超级电容器的特点和优势

超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。

除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出小电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流。因此，必须采用恒流或恒压充电器。

１０年前，超级电容器每年只能卖出去很少的数量，而且价格很贵，大约１～２美元／法拉，现在，超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场，价格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。在最近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域。

关键词 电子技术;超级电容器;综述;原理;应用

Abstract

Along with society economy of development, people for green energy and

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超级电容器及应用概括

超级电容器（Supercapacitor）是20世纪60年代发展起来的一种新型储能单元，80年代国外已进入商业规模。由于它具有功率密度很高、充电时间极短、使用寿命特别长等优异特性，近年来得到了飞快的发展，不仅其技术水平在日新月异，而且应用范围也在不断扩大。超级电容器是将电化学双层电容与法拉弟准电容结合起来做成的电容器，超级电容器的结构形式大致分为两种，一种是柱状电容器，即把基片卷绕起来装进园形金属外壳内，这种电容器适用于低电压大电流充放电的情况；另一种是叠层式电容器，即将电极基片叠起来，组装在塑料或金属壳内，这种电容器用在高电压小电流充放电的情况下比较合适。超电容器的电容和能量密度跟所有的电极材料紧密相关。超级电容器具有以下特点：

（1）功率密度高。超级电容器的内阻很小，而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速储存和释放，因而它的输出功率密度高达数kw/kg，是任何一个化学电源都无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍。

（2）充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。当今蓄电池的充放电循环寿命只有树百次，只有超级电容器的几十分之一。

（3）充电时间短。从目前的充电试验结果来看，在电流密度在7mA/cm时，完全充电时间只要10—12分钟，而蓄电池在这么短的时间内是无法实现完全充电的。

（4）实现高比功率和高比能量输出。一般说来，比能量高的储能体系其比功率不会太高；同样，一个储能体系的比功率比较高，其比能量就不一定会很高，许多电池体系就是如此。超级电容器在可以提供1—5kw/kg，高比功率输出的同时，其比能量可以达到5—20wh/kg。将它与蓄电池组合起来，就会成为一个兼有高比能和高比功率输出的储能系统。

（5）储存寿命极长。超级电容器充电之后储存过程中，虽然也有微小的漏电电流存在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动乃是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或点化学反应，没有产生新的物质。再者，所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因而超级电容器的储存寿命几乎可以认为是无限的。

电容原理及应用方法

电容是板卡设计中必用的元件，其品质的好坏已经成为我们判断板卡质量的一个很重要的方面。

①电容的功能和表示方法。

由两个金属极，中间夹有绝缘介质构成。电容的特性主要是隔直流通交流，因此多用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐。电容在电路中用“C”加数字表示，比如C8，表示在电路中编号为8的电容。

②电容的分类。

电容按介质不同分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容电解电容。按极性分为：有极性电容和无极性电容。按结构可分为：固定电容，可变电容，微调电容。

③电容的容量。

电容容量表示能贮存电能的大小。电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，容抗与交流信号的频率和电容量有关，容抗XC=1/2πf c (f表示交流信号的频率，C表示电容容量)。

④电容的容量单位和耐压。

电容的基本单位是F（法），其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。由于单位F 的容量太大，所以我们看到的一般都是μF、nF、pF的单位。换算关系：1F＝1000000μF，1μF=1000nF=1000000pF。

每一个电容都有它的耐压值，用V表示。一般无极电容的标称耐压值比较高有：63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等。有极电容的耐压相对比较低，一般标称耐压值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。

⑤电容的标注方法和容量误差。

电容的标注方法分为：直标法、色标法和数标法。对于体积比较大的电容，多采用直标法。如果是0.005，表示0.005uF=5nF。如果是5n，那就表示的是5nF。

数标法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是10的多少次方。如：102表示10x10x10 PF=1000PF，203表示20x10x10x10 PF。

超级电容器是20世纪60年代发展起来的一种新型储能器件，并于80年代逐渐走向市场。自从1957 年美国人Becker申报的第一项超级电容器专利以来，超级电容器的发展就不断推陈出新，直到1983 年，日本NEC公司率先将超级电容器推向商业化市场，使得超级电容器引起人们的广泛兴趣，研究开发热潮席卷全球，不但技术水平日新月异，而且应用范围也不断扩大。

一、超级电容器的原理

超级电容也称电化学电容，与传统静电电容器不同，主要表现在储存能量的多少上。作为能量的储存或输出装置，其储能的多少表现为电容量的大小。根据超级电容器储能的机理，其原理可分为：

1.在电极P 溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列所产生的双电层电容器。

双电层理论由19 世纪末H elm h otz 等提出。关于双电层的代表理论和模型有好几种，其中以H elm h otz 模型最为简单且能够充分说明双电层电容器的工作原理。该模型认为金属表面上的静电荷将从溶液中吸收部分不规则的分配离子，使它们在电极P 溶液界面的溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。于是，在电极上和溶液中就形成了两个电荷层，这就是我们通常所讲的双电层。双电层有储存电能量的作用，电容器的容量可以利用以下公式来计算：

式中，E为电容器的储能大小；C为电容器的电容量；V 为电容器的工作电压。由此可见，双电层电容器的容量与电极电势和材料本身的属性有关。通常为了形成稳定的双电层，一般采用导电性能良好的极化电极。

2.在电极表面或体相中的二维与准二维空间，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附、脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的法拉第准电容器。

在电活性物质中，随着存在于法拉第电荷传递化学变化的电化学过程的进行，极化电极上发生欠电位沉积或发生氧化还原反应，充放电行为类似于电容器，而不同于二次电池，不同之处为：