超級電容器

超級電容器是電能儲存裝置，其具有儲存大量電荷的能力

與以熱量形式耗散能量的電阻器不同，理想電容器不會失去其能量。我們還看到，最簡單的電容器形式是兩個平行的導電金屬板，它們由絕緣材料隔開，例如空氣，雲母，紙，陶瓷等，這些材料被稱為電介質，距離為 d。

電容器儲存能量的結果是儲存電容的能力取決於電壓，電壓施加在電容器上，電壓越大，電容器將儲存的電荷越多： Q ∞ V。

此外，電容器電容 C，其表示電容器儲存電荷的能力或容量，其電荷量取決於電容器電容值： Q ∞ C。

然後我們可以看到電荷 Q，電壓 V 和電容 C 之間存在關係，電容越大，電容器上儲存的電荷量越高，相同電壓量就越大，我們可以定義這種關係對於電容器：

對電容器充電

其中： Q （電荷，以庫侖計）= C （電容，單位為法拉）乘以 V （電壓，單位為伏特）

電容單位是庫侖/伏特，也稱為法拉 F，其中一個法拉定義為電容器的電容，需要 1 庫侖電荷才能建立電位差兩塊板之間的電壓為 1 伏。

但是對於大多數實際的電子應用來說，傳統的一個法拉電容器非常大，因此通常使用微法（ μF），納法（ nF）和皮法（ pF） 等更小的單元，其中：

• 微法拉（μF1 μF= 1 / 1,000,000 = 0.000001 = 10-6 F.
• 納法拉（nF1 nF = 1 / 1,000,000,000 = 0.000000001 = 10-9 F.
• 皮法（pF1 pF = 1 / 1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10-12 F.

然而，還有另一種型別的電容器，稱為超級電容器，它可以提供從幾毫法（mF）到十幾個法拉的電容的值，而且尺寸非常小，可以在它們之間儲存更多的電能。

在我們關於電容和電荷的教程中，我們看到儲存在電容器中的能量由下式給出：

其中： E 是以焦耳為單位儲存在電場中的能量，V 是電路板上的電位差，C 是以法拉為單位的電容器電容，定義如下：

其中： ε 是板之間材料的介電常數，A 是板的面積，d 是板間距離。

超級電容器是另一種型別的電容器，其被構造成具有大的導電板，稱為電極，表面區域（ A）以及它們之間的非常小的距離（ d）。與使用諸如聚四氟乙烯、聚乙烯、紙等固體和乾燥介電材料的傳統電容器不同，超級電容器在其電極之間使用液體或溼電解質，使其更像是類似於電解電容器的電化學裝置。

儘管超級電容器是一種電化學裝置，但在其電能的儲存中不涉及化學反應。這意味著超級電容器實際上保持靜電裝置，如圖所示，在其兩個導電電極之間以電場的形式儲存其電能。

超級電容器結構

雙面塗覆的電極由活性導電碳，碳納米管或碳​​凝膠形式的石墨碳製成。稱為隔膜的多孔紙膜使電極保持分開但允許正離子通過而阻擋較大的電子。紙分離器和碳電極都浸漬有液體電解質，在兩者之間使用鋁箔作為集電器，與超級電容器焊片形成電連線。

碳電極和隔板的雙層結構可以非常薄，但是當它們盤繞在一起時它們的有效表面積為數千米的平方。然後，為了增加超級電容器的電容，很明顯我們需要增加接觸表面積 A 而不增加電容器的物理尺寸，或者使用特殊型別的電解液來增加可用電容正離子增加電導率。

然後，超級電容器使由於其高電容值的優異的能量儲存裝置成幾百法拉的，由於非常小的距離 d 或它們的板的分離和電極高表面積甲對於表面上形成電解離子層形成雙層。這種結構有效地產生了兩個電容器，每個碳電極一個，給超級電容器的次要名稱是“雙層電容器”，形成兩個串聯的電容器。

然而，這種小尺寸的問題是電容器兩端的電壓只能非常低，因為超級電容器電池的額定電壓主要由電解質的分解電壓決定。然後，典型的電容器單元具有 1 至 3 伏特的工作電壓，這取決於所使用的電解質，這可以限制其可以儲存的電能量。

為了在合理的電壓下儲存電荷，超級電容器必須串聯連線。與電解電容和靜電電容不同，超級電容的特點是端電壓低。為了將額定端電壓增加到幾十伏，超級電容器電池必須串聯或並聯連線，以獲得更高的電容值，如圖所示。

增加超級電容器的價值

其中： VCELL 是一個電池的電壓，CCELL 是一個電池的電容。

由於每個電容器單元的電壓約為 3.0 伏，將多個電容器單元串聯在一起將增加電壓。雖然並聯多個電容器單元會增加其電容。然後我們可以定義超級電容器組的總電壓和總電容：

其中： M 是列數，N 是行數。另請注意，類似電池，超級電容器和超級電容器具有明確的極性，正極端子標記在電容器主體上。

超級電容器例項 No1

需要 5.5 伏，1.5 法拉的超級電容器作為電子電路的儲能備用裝置。如果超級電容器由單獨的 2.75v，0.5F 電池製成，則計算所需的電池數量和陣列的佈局。

因此，該陣列將具有兩個串聯連線的 2.75v 的電容器單元，以提供所需的 5.5v。

然後陣列將具有總共六個單獨的列，由兩行六個組成，從而形成具有 6×2 陣列的超級電容器，如圖所示。

6×2 超級電容器陣列

超級電容器能量

與所有電容器一樣，超級電容器是一種儲能裝置。電能作為電荷儲存在其板之間的電場中，並且由於該儲存的能量，在兩個板之間存在電勢差，即電壓。在充電期間（從連線的電源流過超級電容器的電流），電能儲存在其板之間。

一旦超級電容器充電，電流就會停止從電源流出，超級電容器端電壓等於電源電壓。結果，即使在從電壓源移除之前，充電的超級電容器也將儲存該電能，直到需要用作能量儲存裝置。

當放電（電流流出）時，超級電容器將該儲存的能量改變為電能以供應連線的負載。然後，超級電容器本身不消耗任何能量，而是根據需要儲存和釋放電能，其中儲存在超級電容器中的能量的量與電容器的電容值成比例。

如前所述，儲存的能量與電容 C 和其端子上的電壓 V 的平方成正比。

其中： E 是儲存在焦耳中的能量。然後，對於上面的超級電容器示例，陣列儲存的能量數量如下：

然後，我們的超級電容器可儲存的最大能量為 22.7 焦耳，最初由 5.5 伏充電電源供電。這種儲存的能量仍可作為電解質電介質中的電荷獲得，並且當連線到負載時，超級電容器整個 22.69 焦耳的能量可用作電流。顯然，當超級電容器完全放電時，儲存的能量為零。

然後我們可以看到理想的超級電容器不會消耗或耗散能量，而是從外部充電電路獲取電能以將能量儲存在其電解質場中，然後在向負載供電時返回所儲存的能量。

在上面的簡單示例中，超級電容器儲存的能量約為 23 焦耳，但是電容值較大且額定電壓較高，超級電容器的能量密度可能非常大，因此非常適合作為儲能裝置。

實際上，具有數千法拉和數百伏額定值的超級電容器現在用於混合動力電動車輛（包括公式 1）作為用於再生制動系統的固態能量儲存裝置，因為它們可以在制動期間快速地發出和接收能量。之後加速。超級和超級電容器也用於可再生能源系統，以取代鉛酸電池。

超級電容器摘要

我們已經看到，超級電容器是由兩個多孔電極組成的電化學裝置，通常由浸入電解質溶液中的活性炭組成，該電解質溶液靜電地儲存電荷。這種佈置有效地產生兩個電容器，每個電極一個，串聯連線。

超級電容器具有數百法拉的電容，所有這些都在非常小的物理尺寸內，並且可以實現比電池高得多的功率密度。然而，超級電容器的額定電壓通常小於約 3 伏特，因此若干電容器必須串聯和並聯組合以提供任何有用的電壓。

超級電容器可以用作類似於電池的能量儲存裝置，並且實際上被歸類為超級電容器電池。但與電池不同，它們可以在短時間內實現更高的功率密度。它們用於許多混合動力汽油車和燃料電池驅動的電動車輛，因為它能夠快速釋放高壓然後再充電。但是，通過執行具有燃料電池和電池峰值功率需求的超級電容器，可以更有效地控制瞬態負載變化。