超級(jí)電容基本知識(shí)

1、超級(jí)電容器相關(guān)資料1. 超級(jí)電容器的原理及結(jié)構(gòu)1.1 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu) 圖一為超級(jí)電容器的模型，超級(jí)電容器中，多孔化電極采用活性炭粉和活性炭和活性炭纖維，電解液采用有機(jī)電解質(zhì)，如碳酸類或乙腈類。工作時(shí)，在可極化電極和電解質(zhì)溶液之間界面上形成的雙電層中聚集的電容量c由下式確定： 其中是電解質(zhì)的介電常數(shù)，是由電極界面到離子中心的距離，s是電極界面的表面面積。圖1超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)框圖由圖1中可見，其多孔化電極是使用多孔性的活性碳有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲(chǔ)很大的靜電能量，超級(jí)電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。電池相較之間，盡管這能量密度是5%或是更少，

2、但是這能量的儲(chǔ)存方式，也可以應(yīng)用在傳統(tǒng)電池不足之處與短時(shí)高峰值電流之中。這種超級(jí)電容器有幾點(diǎn)比電池好的特色。1.2 工作原理超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器，原理示意圖如圖2。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電

3、容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電 ，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。1.3 主要特點(diǎn)由于超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)及工作原理使其具有如下特點(diǎn)： 圖2超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)框圖.電容量大，超級(jí)電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計(jì)算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過(guò)1F，它的

4、出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了34個(gè)數(shù)量級(jí)，目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可達(dá)5000F以上。.充放電壽命很長(zhǎng)，可達(dá)500 000次，或50000小時(shí)，而蓄電池的充放電壽命很難超過(guò)2000次，.可以提供很高的放電電流（如2700F的超級(jí)電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá)1680A，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流一些高放電電流的蓄電池在雜如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。.可以數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池再如此短的時(shí)間內(nèi)充滿電將是極危險(xiǎn)的或幾乎不可能。.可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作（-40+70）而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作。.超級(jí)電容器用的材

5、料是安全的和無(wú)毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池軍具有毒性。.等效串聯(lián)電阻ESR相對(duì)常規(guī)電容器大?？梢匀我獠⒙?lián)使用增加電容量，如采取均壓后，還可以串聯(lián)使用。并聯(lián)時(shí)總?cè)萘吭霰峨妷翰蛔?，串?lián)時(shí)總?cè)萘繙p倍電壓增倍。2. 超級(jí)電容器特性超級(jí)電容器的主要特性： 2.1 額定容量：?jiǎn)挝唬悍ɡ‵），測(cè)試條件：規(guī)定的恒定電流充電到額定電壓后保持23分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時(shí)間與電流的乘積再除以額定電壓值，即：由于等效串聯(lián)電阻（ESR）比普通電容器大，因而充放電時(shí)ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，如2.7V/5 000F超級(jí)電容器的ESR為：0.4m，在100A電流放電時(shí)的ESR電壓降為4

6、0mV占額定電壓的1.5%，950A電流放電時(shí)的ESR電壓降為380mV占額定電壓的14%，表明在此電流下放電容量減小88.5。2.2 額定電壓：可以使用的最高安全端電壓（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久將來(lái)的3V），除此之外還有承受浪涌電壓電壓（可以短時(shí)承受的端電壓，通常為額定電壓的105%110%），實(shí)際上超級(jí)電容器的擊穿電壓遠(yuǎn)高于額定電壓（約為額定電壓的1.53倍左右，與普通電容器的額定電壓/擊穿電壓比值差不多。2.3 額定電流和脈沖峰值電流：額定電流為5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流。脈沖峰值電流亦即最大電流，指2秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，理論上為額定電流的2.5倍。但實(shí)際受內(nèi)

7、阻等因素的影響，實(shí)際值遠(yuǎn)小于理論值。2.4 最大存儲(chǔ)能量：在額定電壓是放電到零所釋放的能量，以焦耳（J）或瓦時(shí)（Wh）為單位2.5 能量密度：最大存儲(chǔ)能量除以超級(jí)電容器的重量或體積（Wh/kg或Wh/l）2.6 功率密度：在匹配的負(fù)載下，超級(jí)電容器產(chǎn)生電/熱效應(yīng)各半時(shí)的放電功率，用kW/kg或kW/l表示。2.7 等效串聯(lián)電阻：測(cè)試條件：規(guī)定的恒定電流和規(guī)定的頻率（大容量的100Hz，小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。通常交流ESR比直流ESR小，隨溫度上升而減小。超級(jí)電容器等效串聯(lián)電阻較大的原因是：為充分增加電極面積，電極為多孔化活性炭，由于多孔化活性炭電阻率明顯大于金屬，從而使超級(jí)電容器的

8、ESR較其它電容器的大。2.8工作與存儲(chǔ)溫度：通常為-40+60或70，存儲(chǔ)溫度還可以高一些。2.9 漏電流：一般為10A/F。2.10 壽命：在25環(huán)境溫度下的壽命通常在50 000小時(shí)，在60的環(huán)境溫度下為2000小時(shí)，壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。2.11 循環(huán)壽命：20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇10秒為一個(gè)循環(huán)的條件下一般可達(dá)500000次。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%30%，ESR增大到額定值的34倍。2.12 發(fā)熱：超級(jí)電容器充、放電時(shí)，會(huì)發(fā)熱，其發(fā)熱量將隨著電流的增加而增加。超級(jí)電容

9、器發(fā)熱的原因是電流流過(guò)超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）產(chǎn)生的功率（能量）損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｓ捎诔?jí)電容器的（ESR）較大，因此在同樣充、放電電流條件下發(fā)熱量比一般電容器大，使用時(shí)應(yīng)注意。3. 注意事項(xiàng)超級(jí)電容器在串聯(lián)應(yīng)用時(shí)特別是較大電容量是應(yīng)采用均壓技術(shù)以保證每一個(gè)超級(jí)電容器單體端電壓在額定電壓內(nèi)。4. 國(guó)內(nèi)外狀況超級(jí)電容器通常耐壓為2.53V，也有耐壓為1.6V的產(chǎn)品。主要有美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯和中國(guó)等國(guó)家生產(chǎn)。比較知名的公司有：Maxwell、Epcos、Nesscap、ELNA、NEC、Korchip、Panasonic等。我國(guó)有錦州凱美、北京集星、合眾匯能、上海奧威等企業(yè)，從

10、容量上看有機(jī)系的國(guó)外達(dá)到2.7V/5 000F，體積在逐年減小，120F/2.7V已做到直徑22毫米高45毫米，3F/2.7V直徑8毫米高20毫米。能量密度和功率密度分別達(dá)到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循環(huán)壽命和壽命分別達(dá)到500 000次和90 000小時(shí)。5.應(yīng)用領(lǐng)域：超級(jí)電容器根據(jù)制造工藝和外形結(jié)構(gòu)可劃分為鈕扣型、卷繞型和大型三種類型，三者在容量上大致歸類為5F以下、5200F、200F以上。鈕扣型產(chǎn)品具備小電流、長(zhǎng)時(shí)間放電的特點(diǎn)，可用在小功率電子產(chǎn)品及電動(dòng)玩具產(chǎn)品中。而卷繞型和大型產(chǎn)品則多在需要大電流短時(shí)放電，有記憶存儲(chǔ)功能的電子產(chǎn)品中做后

11、備電源，適用于帶CPU的智能家電、工控和通信領(lǐng)域中的存儲(chǔ)備份部件。 超級(jí)電容與電池的比較From：ELNA許多年以來(lái)，可充電池都是作為數(shù)據(jù)暫存后備電源或者在許多的電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)的唯一解決辦法。它們也作為當(dāng)主電源斷電或供應(yīng)不足時(shí)的緊急或短時(shí)的第二電源。在近幾年里，由于電容技術(shù)的發(fā)展和前進(jìn)，DLC已經(jīng)成為一個(gè)和可充電池一樣可供選擇的可行解決方案。DLC的容量從0.047F到100F,電壓可從2.5V到6.3V。并且有多種形狀和規(guī)格，以迎合設(shè)計(jì)時(shí)的空間考慮。以下是DLC與可充電池之間的詳細(xì)比較：容量：在某些特定的尺寸里，可充電池的能量?jī)?chǔ)存還是比相同尺寸的DLC大許多倍。重量：自從可充電池用笨重的金屬來(lái)

12、封裝后，它們一般都比DLC重得多?？沙潆姵嘏cDLC在外觀上已經(jīng)有明顯的不同和尺寸增加。相同的尺寸下，電池的重量是DLC的兩倍以上。充電時(shí)間：由于可充電池是靠化學(xué)反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)能量，所以它們?cè)俅纬潆娨话愣紩?huì)耗時(shí)很長(zhǎng)。而DLC是依靠電離子的運(yùn)動(dòng)來(lái)存儲(chǔ)能量，它們只需30到60秒鐘就可以充電到60到80的電量?？沙浯螖?shù)(周期)可充電池大概有500到1000次的使用周期。在使用次數(shù)達(dá)到幾百次之后，電池的容量便會(huì)開始減少，直到最后丟失它的大部分存儲(chǔ)能量。而DLC能夠反復(fù)充放電超過(guò)10萬(wàn)次以上，而不會(huì)明顯減少它的存儲(chǔ)電量。充電電流：當(dāng)一個(gè)充電電池用舊了之后，通常要用一些有電流限制的電路防止一些來(lái)自沖擊的充電電流

13、來(lái)破壞電池。而DLC沒(méi)有對(duì)充電電流作出限制，當(dāng)然，充電電壓也不允許超過(guò)電容(DLC)本身的額定電壓的兩倍。(當(dāng)一個(gè)DLC被充電后，它的兩極甚至可以短路而不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn))DLC一次性電池可充電池鋰電池鎳鎘電池鋰離子電池可充電性能不能能能Charge TimeSecondsHoursHours輸出電壓可變僅3伏僅1.2伏放電特性電壓逐漸變小在放電完畢以前電壓變化平坦海特超級(jí)電容器基本狀況：1.扣式電容序號(hào)型號(hào)單體外形基本參數(shù)標(biāo)稱容量標(biāo)稱內(nèi)阻尺寸重量直徑總高引腳距Fmmmmmmg±0.21SC5R5152Z-V6210.151356.84.94.60.5±0.12SC5R5152Z

14、-H0.151357.015.27.50.5±0.13SC5R5222Z-V9200.22859.44.59.40.804SC5R5222Z-H0.22859.44.84.40.805SC5R5332Z-V9270.33859.45.29.41.16SC5R5332Z-H0.33859.46.05.61.17SC5R5472Z-V12200.476512.54.012.51.48SC5R5472Z-H0.476512.54.84.42.39SC5R5103Z-V19201.002518.84.318.83.410SC5R5103Z-H1.002518.85.14.73.411SC5R

15、5103Z-C1.002520.77.55.58.512SC5R5403Z-V24304.001624.618.324.77.013SC5R5403Z-H4.001624.66.16.57.02.圓柱電容序號(hào)型號(hào)基本參數(shù)標(biāo)稱容量標(biāo)稱內(nèi)阻尺寸重量直徑總高引腳間距Fmmmmmmmg1SR2R7103Z-L14508133.52SR2R7203Z-L23008203.51.53SR2R7303Z-L32008203.51.54SR2R7333Z-L3.3200102052.25SR2R7473Z-L4.7120132153.26SR2R7803Z-L890132153.87SR2R7104Z-L10

16、70132754.88SR2R7204Z-L204016277.57.89SR2R7304Z-L303016327.59.710SR2R7504Z-L502518417.51611SR2R7604Z-P60252242102012SR2R7804Z-P80252245102213SR2R7904Z-P902522541029 舊式621、920、927型號(hào)即0.15F、0.22F和0.33F準(zhǔn)備逐步使用新型號(hào)1120代替；舊式1220、1920、2025型號(hào)即0.47F、1F和1.5F將以1920外殼統(tǒng)一，2430即4F出貨量很少暫維持不變。生產(chǎn)周期海特扣式電容的理論生產(chǎn)周期為95.5h；圓柱電容的理論生產(chǎn)周期為166 h海特電容命名規(guī)則：S -引腳類型代號(hào)：圓柱：L：導(dǎo)針式；P：蓋板式；B：螺栓式扣式：V：直插式；H：平臥式；C：組合封裝式偏差代號(hào)：Z表示偏差為-20+80容量代號(hào)：三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，如：473表示4.7×103mF電壓代號(hào)