基礎(chǔ)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(nèi)。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(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)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(shù)千次充放電循環(huán)而不會出現(xiàn)任何磨損。這就是為什么這些電容器（也稱為超級電容器）可用于許多新興技術(shù)，例如混合動力汽車、有源濾波器、可再生能源、UPS、智能手機(jī)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。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，電荷是通過電極上相反電荷載流子的積累來存儲的。

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(gòu)造
超級電容器的構(gòu)造有點像電解電容器。它們有兩個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（圖片來源：維基百科）

電解質(zhì)可以是液體或固體。在大多數(shù)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(dǎo)電鹽類的溶劑。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，隔膜對電荷載體來說是透明的，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(nèi)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(nèi)阻 (ESR)

它們的工作原理
當(dāng)在超級電容器的端子之間施加電勢差時，電極開始從電解質(zhì)中吸引相反的電荷載流子。正離子積聚在負(fù)連接處，負(fù)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。充電電流流過電容器，直到集電器之間的靜電場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(dāng)施加的電壓降低時，一定數(shù)量的電荷載流子就會從集電器返回到電解質(zhì)中。在此過程中，等效電流反向流過電容器。當(dāng)極性改變時，超級電容器會經(jīng)歷類似的充電和放電循環(huán)。

您會看到超級電容器盡管采用電化學(xué)結(jié)構(gòu)，但仍以靜電場的形式存儲電荷。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(jié)構(gòu)類似于電池，但超級電容器仍被歸類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(shù)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，它們的額定電壓可以成倍增加。類似地，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(shù)或每列串聯(lián)的超級電容器電芯數(shù)
V Cell為單個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(shù)或每行并聯(lián)的超級電容器電芯數(shù)
N為行數(shù)或每行串聯(lián)的超級電容器電芯數(shù)
C列Cell是單個超級電容器電池的電容

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

• 能夠以靜電場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。

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

• 不涉及電化學(xué)反應(yīng)，因此沒有操作磨損并延長使用壽命。它們可以使用數(shù)十萬次而無需更換。

應(yīng)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(yīng)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(yùn)輸業(yè)。在電動汽車中，超級電容器用于制動系統(tǒng)以存儲直流電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢。超級電容器存儲的電荷可用于為車輛的電氣系統(tǒng)供電并為電池充電。在電動汽車中，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。混合動力汽車（在停車時完全關(guān)閉發(fā)動機(jī)）使用超級電容器在每次停車后重新啟動發(fā)動機(jī)。

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有用應(yīng)用是牽引車輛。牽引車輛經(jīng)歷加速、巡航和減速的多個階段。超級電容器可用于此類車輛，以應(yīng)對電壓波動和運(yùn)行功率損耗。

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

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

在下一個教程中，我們將討論電感器。