超级电容器

超级电容器是电能存储装置，其具有存储大量电荷的能力

与以热量形式耗散能量的电阻器不同，理想电容器不会失去其能量。我们还看到，最简单的电容器形式是两个平行的导电金属板，它们由绝缘材料隔开，例如空气，云母，纸，陶瓷等，这些材料被称为电介质，距离为 d。

电容器存储能量的结果是存储电容的能力取决于电压，电压施加在电容器上，电压越大，电容器将存储的电荷越多： Q ∞ V。

此外，电容器电容 C，其表示电容器存储电荷的能力或容量，其电荷量取决于电容器电容值： Q ∞ C。

然后我们可以看到电荷 Q，电压 V 和电容 C 之间存在关系，电容越大，电容器上存储的电荷量越高，相同电压量就越大，我们可以定义这种关系对于电容器：

对电容器充电

其中： Q （电荷，以库仑计）= C （电容，单位为法拉）乘以 V （电压，单位为伏特）

电容单位是库仑/伏特，也称为法拉 F，其中一个法拉定义为电容器的电容，需要 1 库仑电荷才能建立电位差两块板之间的电压为 1 伏。

但是对于大多数实际的电子应用来说，传统的一个法拉电容器非常大，因此通常使用微法（ μF），纳法（ nF）和皮法（ pF） 等更小的单元，其中：

• 微法拉（μF1 μF= 1 / 1,000,000 = 0.000001 = 10-6 F.
• 纳法拉（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，还有另一种类型的电容器，称为超级电容器，它可以提供从几毫法（mF）到十几个法拉的电容的值，而且尺寸非常小，可以在它们之间存储更多的电能。

在我们关于电容和电荷的教程中，我们看到存储在电容器中的能量由下式给出：

其中： E 是以焦耳为单位存储在电场中的能量，V 是电路板上的电位差，C 是以法拉为单位的电容器电容，定义如下：

其中： ε 是板之间材料的介电常数，A 是板的面积，d 是板间距离。

超级电容器是另一种类型的电容器，其被构造成具有大的导电板，称为电极，表面区域（ A）以及它们之间的非常小的距离（ d）。与使用诸如聚四氟乙烯、聚乙烯、纸等固体和干燥介电材料的传统电容器不同，超级电容器在其电极之间使用液体或湿电解质，使其更像是类似于电解电容器的电化学装置。

尽管超级电容器是一种电化学装置，但在其电能的存储中不涉及化学反应。这意味着超级电容器实际上保持静电装置，如图所示，在其两个导电电极之间以电场的形式存储其电能。

超级电容器结构

双面涂覆的电极由活性导电碳，碳纳米管或碳​​凝胶形式的石墨碳制成。称为隔膜的多孔纸膜使电极保持分开但允许正离子通过而阻挡较大的电子。纸分离器和碳电极都浸渍有液体电解质，在两者之间使用铝箔作为集电器，与超级电容器焊片形成电连接。

碳电极和隔板的双层结构可以非常薄，但是当它们盘绕在一起时它们的有效表面积为数千米的平方。然后，为了增加超级电容器的电容，很明显我们需要增加接触表面积 A 而不增加电容器的物理尺寸，或者使用特殊类型的电解液来增加可用电容正离子增加电导率。

然后，超级电容器使由于其高电容值的优异的能量储存装置成几百法拉的，由于非常小的距离 d 或它们的板的分离和电极高表面积甲对于表面上形成电解离子层形成双层。这种结构有效地产生了两个电容器，每个碳电极一个，给超级电容器的次要名称是“双层电容器”，形成两个串联的电容器。

然而，这种小尺寸的问题是电容器两端的电压只能非常低，因为超级电容器电池的额定电压主要由电解质的分解电压决定。然后，典型的电容器单元具有 1 至 3 伏特的工作电压，这取决于所使用的电解质，这可以限制其可以存储的电能量。

为了在合理的电压下存储电荷，超级电容器必须串联连接。与电解电容和静电电容不同，超级电容的特点是端电压低。为了将额定端电压增加到几十伏，超级电容器电池必须串联或并联连接，以获得更高的电容值，如图所示。

增加超级电容器的价值

其中： VCELL 是一个电池的电压，CCELL 是一个电池的电容。

由于每个电容器单元的电压约为 3.0 伏，将多个电容器单元串联在一起将增加电压。虽然并联多个电容器单元会增加其电容。然后我们可以定义超级电容器组的总电压和总电容：

其中： M 是列数，N 是行数。另请注意，类似电池，超级电容器和超级电容器具有明确的极性，正极端子标记在电容器主体上。

超级电容器实例 No1

需要 5.5 伏，1.5 法拉的超级电容器作为电子电路的储能备用装置。如果超级电容器由单独的 2.75v，0.5F 电池制成，则计算所需的电池数量和阵列的布局。

因此，该阵列将具有两个串联连接的 2.75v 的电容器单元，以提供所需的 5.5v。

然后阵列将具有总共六个单独的列，由两行六个组成，从而形成具有 6×2 阵列的超级电容器，如图所示。

6×2 超级电容器阵列

超级电容器能量

与所有电容器一样，超级电容器是一种储能装置。电能作为电荷存储在其板之间的电场中，并且由于该存储的能量，在两个板之间存在电势差，即电压。在充电期间（从连接的电源流过超级电容器的电流），电能存储在其板之间。

一旦超级电容器充电，电流就会停止从电源流出，超级电容器端电压等于电源电压。结果，即使在从电压源移除之前，充电的超级电容器也将存储该电能，直到需要用作能量存储装置。

当放电（电流流出）时，超级电容器将该存储的能量改变为电能以供应连接的负载。然后，超级电容器本身不消耗任何能量，而是根据需要存储和释放电能，其中存储在超级电容器中的能量的量与电容器的电容值成比例。

如前所述，存储的能量与电容 C 和其端子上的电压 V 的平方成正比。

其中： E 是储存在焦耳中的能量。然后，对于上面的超级电容器示例，阵列存储的能量数量如下：

然后，我们的超级电容器可存储的最大能量为 22.7 焦耳，最初由 5.5 伏充电电源供电。这种储存的能量仍可作为电解质电介质中的电荷获得，并且当连接到负载时，超级电容器整个 22.69 焦耳的能量可用作电流。显然，当超级电容器完全放电时，储存的能量为零。

然后我们可以看到理想的超级电容器不会消耗或耗散能量，而是从外部充电电路获取电能以将能量存储在其电解质场中，然后在向负载供电时返回所存储的能量。

在上面的简单示例中，超级电容器存储的能量约为 23 焦耳，但是电容值较大且额定电压较高，超级电容器的能量密度可能非常大，因此非常适合作为储能装置。

实际上，具有数千法拉和数百伏额定值的超级电容器现在用于混合动力电动车辆（包括公式 1）作为用于再生制动系统的固态能量存储装置，因为它们可以在制动期间快速地发出和接收能量。之后加速。超级和超级电容器也用于可再生能源系统，以取代铅酸电池。

超级电容器摘要

我们已经看到，超级电容器是由两个多孔电极组成的电化学装置，通常由浸入电解质溶液中的活性炭组成，该电解质溶液静电地存储电荷。这种布置有效地产生两个电容器，每个电极一个，串联连接。

超级电容器具有数百法拉的电容，所有这些都在非常小的物理尺寸内，并且可以实现比电池高得多的功率密度。然而，超级电容器的额定电压通常小于约 3 伏特，因此若干电容器必须串联和并联组合以提供任何有用的电压。

超级电容器可以用作类似于电池的能量存储装置，并且实际上被归类为超级电容器电池。但与电池不同，它们可以在短时间内实现更高的功率密度。它们用于许多混合动力汽油车和燃料电池驱动的电动车辆，因为它能够快速释放高压然后再充电。但是，通过运行具有燃料电池和电池峰值功率需求的超级电容器，可以更有效地控制瞬态负载变化。