超級(jí)電容作為輔助蓄能器的特性

1、超級(jí)電容作為輔助蓄能器的特性超級(jí)電容器從儲(chǔ)能機(jī)理上面分的話，超級(jí)電容器分為雙電層電容器和贗電容器。是一種新型儲(chǔ)能裝置，它具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。超級(jí)電容器用途廣泛。超級(jí)電容器（supercapacitor,ultracapacitor），原理又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、電化學(xué)電容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放

2、電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。超級(jí)電容器是建立在德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過(guò)剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極，并在其間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng)，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。它所形成的雙電層

3、和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離要小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大，因此，可在無(wú)負(fù)載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過(guò)電壓充電的情況，雙電層電容器將會(huì)開路而不致?lián)p壞器件，這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過(guò)電壓擊穿不同。同時(shí)，雙電層電容器與可充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，且充電次數(shù)可達(dá)106次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時(shí)也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。 工作原理圖超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器。

4、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

5、的界面上的電荷相應(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。特性編輯超級(jí)電容器在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量，用于存儲(chǔ)電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長(zhǎng)，有時(shí)用特殊的組織結(jié)構(gòu)來(lái)增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。超級(jí)電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過(guò)一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超級(jí)電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電

6、極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10 &Aring;）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小。 這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級(jí)電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級(jí)”所在。9充放電時(shí)間超級(jí)電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實(shí)際上決定于電容器單體大小，對(duì)于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。超級(jí)電容器的電阻阻礙其快速放電，超級(jí)電容器的時(shí)間常數(shù)在1-2s，完全給阻-容式電路放電大約需要5，也就是說(shuō)如果短路放電大約需

7、要5-10s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實(shí)際上得花上數(shù)個(gè)小時(shí)才能將殘留的電荷完全釋放）11與電池的比較超級(jí)電容器不同于電池，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它可能優(yōu)于電池。有時(shí)將兩者結(jié)合起來(lái)，將電容器的功率特性和電池的高能量存儲(chǔ)結(jié)合起來(lái)，不失為一種更好的途徑。超級(jí)電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過(guò)放可能造成永久性破壞。超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。超級(jí)電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某?jí)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量。在一些功率決定能量

8、存儲(chǔ)器件尺寸的應(yīng)用中，超級(jí)電容器是一種更好的途徑。超級(jí)電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無(wú)任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。超級(jí)電容器可以快速充電而電池快速充電則會(huì)受到損害。超級(jí)電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬(wàn)次，而電池壽命僅幾百個(gè)循環(huán)。13如何選擇超級(jí)電容器的兩個(gè)主要應(yīng)用：高功率脈沖應(yīng)用和瞬時(shí)功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征：瞬時(shí)流向負(fù)載大電流；瞬時(shí)功率保持應(yīng)用的特征：要求持續(xù)向負(fù)載提供功率，持續(xù)時(shí)間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時(shí)功率保持的一個(gè)典型應(yīng)用：斷電時(shí)磁盤驅(qū)動(dòng)頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對(duì)超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻(R)，而瞬時(shí)功率保持是利用超電容大

9、的靜電容量(C)。 超級(jí)電容器應(yīng)用廣泛下面提供了兩種計(jì)算公式和應(yīng)用實(shí)例：C(F)： 超電容的標(biāo)稱容量；R()： 超電容的標(biāo)稱內(nèi)阻；ESR()：1KZ下等效串聯(lián)電阻；Uwork(V)： 在電路中的正常工作電壓Umin(V)： 要求器件工作的最小電壓；t(s)： 在電路中要求的保持時(shí)間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時(shí)間；Udrop(V)： 在放電或大電流脈沖結(jié)束時(shí)，總的電壓降；I(A)： 負(fù)載電流；瞬時(shí)功率保持應(yīng)用超電容容量的近似計(jì)算公式，該公式根據(jù)，保持所需能量=超電容減少能量。保持期間所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t；超電容減少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)，因而，可得其容

10、量(忽略由IR引起的壓降)C=I(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)實(shí)例：假設(shè)磁帶驅(qū)動(dòng)的工作電壓5V，安全工作電壓3V。如果直流馬達(dá)要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么,根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5 F。因?yàn)?V的電壓超過(guò)了單體電容器的標(biāo)稱工作電壓。因而，可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話，那每只的電壓即是其標(biāo)稱電壓2.5V。如果我們選擇標(biāo)稱容量是1F的電容器，兩串為0.5F?？紤]到電容器20%的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量?？梢赃x擇標(biāo)稱容量是1.5F的電容器，能提供1.5F/2=0.75F?？紤]20%的容量偏差，最小值1.2F/2=0.6F

11、。這種超級(jí)電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后，磁帶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)入小電流工作模式，用超電容剩余的能量。在該實(shí)例中，均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。脈沖功率應(yīng)用脈沖功率應(yīng)用的特征：和瞬時(shí)大電流相對(duì)的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間從1ms到幾秒。設(shè)計(jì)分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實(shí)例中總的壓降由兩部分組成：由電容器內(nèi)阻引起的瞬時(shí)電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時(shí)壓降。關(guān)系如下：Udrop=I(R+t/C) 電容板上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。對(duì)于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻R可以用直流ESR估計(jì)，標(biāo)稱是0.0

12、75(DC ESR=AC ESR*1.5=0.060*1.5=0.090)。額定容量是1.5F。對(duì)于一個(gè)0.001s的脈沖，t/C小于0.001。即便是0.010的脈沖t/C也小于0.0067，顯然R（0.090）決定了上式的Udrop輸出。實(shí)例：GSM/GPRS無(wú)線調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達(dá)2A的電流，該電流持續(xù)0.6 ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器（PA）要求3.0V的最小電壓。對(duì)于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在

13、3.6V的工作電壓下（最小3.0V），允許的壓降是0.6V。選擇超級(jí)電容器（C：0.15F,AC ESR：0.200,DC ESR：0.250）。對(duì)于2A脈沖，電池提供大約1A，超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式，由內(nèi)阻引起的壓降：1A×0.25=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。結(jié)論不管是功率保持還是功率脈沖應(yīng)用都可以用上公式計(jì)算當(dāng)電路的工作電壓超過(guò)超電容的工作電壓時(shí)，可以用相同的電容器串聯(lián)一般地，串聯(lián)應(yīng)該保持平衡以確保電壓平均分配在脈沖功率應(yīng)用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案

14、。使用注意事項(xiàng)1、超級(jí)電容器具有固定的極性。在使用前，應(yīng)確認(rèn)極性。2、超級(jí)電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用：當(dāng)電容器電壓超過(guò)標(biāo)稱電壓時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電解液分解，同時(shí)電容器會(huì)發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。3、超級(jí)電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰。4、超級(jí)電容器的壽命：外界環(huán)境溫度對(duì)于超級(jí)電容器的壽命有著重要的影響。電容器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源。5、當(dāng)超級(jí)電容器被用做后備電源時(shí)的電壓降：由于超級(jí)電容器具有內(nèi)阻較大的特點(diǎn)，在放電的瞬間存在電壓降，V=IR。 不同領(lǐng)域的運(yùn)用6、使

15、用中環(huán)境氣體：超級(jí)電容器不可處于相對(duì)濕度大于85%或含有有毒氣體的場(chǎng)所，這些環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致引線及電容器殼體腐蝕，導(dǎo)致斷路。7、超級(jí)電容器的存放：超級(jí)電容器不能置于高溫、高濕的環(huán)境中，應(yīng)在溫度-30+50、相對(duì)濕度小于60%的環(huán)境下儲(chǔ)存，避免溫度驟升驟降，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。8、超級(jí)電容器在雙面線路板上的使用：當(dāng)超級(jí)電容器用于雙面電路板上，需要注意連接處不可經(jīng)過(guò)電容器可觸及的地方，由于超級(jí)電容器的安裝方式，會(huì)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。9、當(dāng)把電容器焊接在線路板上時(shí)，不可將電容器殼體接觸到線路板上，不然焊接物會(huì)滲入至電容器穿線孔內(nèi)，對(duì)電容器性能產(chǎn)生影響。10、安裝超級(jí)電容器后，不可強(qiáng)行傾斜或扭動(dòng)電容器，這樣

16、會(huì)導(dǎo)致電容器引線松動(dòng)，導(dǎo)致性能劣化。11、在焊接過(guò)程中避免使電容器過(guò)熱：若在焊接中使電容器出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，會(huì)降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板，焊接過(guò)程應(yīng)為260，時(shí)間不超過(guò)5s。12、焊接后的清洗：在電容器經(jīng)過(guò)焊接后，線路板及電容器需要經(jīng)過(guò)清洗，因?yàn)槟承╇s質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致電容器短路。13、將電容器串聯(lián)使用時(shí)：當(dāng)超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問(wèn)題，單純的串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器過(guò)壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，需得到廠家的技術(shù)支持。14、其他：在使用超級(jí)電容器的過(guò)程中出現(xiàn)的其他應(yīng)用上的問(wèn)題，請(qǐng)向生產(chǎn)廠家咨詢或參照

17、超級(jí)電容器使用說(shuō)明的相關(guān)技術(shù)資料執(zhí)行。15前景分析從結(jié)構(gòu)上看，超級(jí)電容器主要由電極、電解質(zhì)、隔膜、端板、引線和封裝材料組成，其中電極、電解質(zhì)和隔膜的組成和質(zhì)量對(duì)超級(jí)電容器的性能起著決定性的影響，采用何種電極板和電解質(zhì)材料將基本決定最終產(chǎn)品的類型與特性。2007年1月16日，美國(guó)得克薩斯州一家研制電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置，名為EEStor的公司打破沉默，對(duì)外宣告了他們“里程碑”式的成果：他們的自動(dòng)生產(chǎn)線已經(jīng)由獨(dú)立的第三方分析驗(yàn)收，其產(chǎn)品的關(guān)鍵物質(zhì)鋇鈦酸鹽粉末已經(jīng)完成了最初的純化，純度達(dá)到了99.9994%。這一技術(shù)一旦進(jìn)入成熟的工業(yè)生產(chǎn)，他們所研制的新型超級(jí)電容器動(dòng)力系統(tǒng)將替代包括從電動(dòng)汽車到筆記本電腦的一切電化學(xué)電池。按照2006年4月發(fā)表的專利，EEStor這種能量存儲(chǔ)裝置是用陶瓷粉末涂在鋁氧化物和玻璃的表面。從技術(shù)上說(shuō)，它并不是電池，而是一種超級(jí)電容器，它在5分鐘內(nèi)充的電能可以讓一個(gè)超級(jí)電容器電動(dòng)車走500英里，電費(fèi)只有9美元。而燒汽油的內(nèi)燃機(jī)車走相同里程則要花費(fèi)60美元。與傳統(tǒng)的電化學(xué)電池相比，超級(jí)電容器有很多好處。它可以無(wú)限制地接受無(wú)數(shù)次放電和充電，超級(jí)電容器沒有“記憶”。但是，一般的超級(jí)電容器也有其弱點(diǎn)，就是能量存儲(chǔ)率有限，市場(chǎng)上的高端超級(jí)電容器每0.4536千克的存儲(chǔ)