超级电容器的构造和应用

时间： 2024-05-12 来源：TOPPOWER（顶源科技）官网

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双面涂层电极由活性导电碳、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，同时阻挡较大的电子。纸质隔板和碳电极都浸有液体电解质，两者之间使用铝箔作为集电器，与超级电容器焊片进行电连接。

碳电极和隔膜的双层结构可能非常薄，但当盘绕在一起时，它们的有效表面积可达数千平方米。那么为了增加超级电容器的电容，显然我们需要在不增加电容器物理尺寸的情况下增加接触表面积A（以m2为单位），或者使用特殊类型的电解质来增加可用的正离子以增加电导率。

然后，超级电容器成为出色的能量存储设备，因为它们的电容值高达数百法拉，由于它们的极板和电极之间的距离d非常小或分离，因此在表面上形成的高表面积A电解离子层形成双层。这种结构有效地创建了两个电容器，每个碳电极各一个，从而使超级电容器获得了“双层电容器”的第二名称，形成两个串联的电容器。

然而，这种小尺寸的问题在于，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，典型的电容器电池的工作电压在1至3伏之间，具体取决于所使用的电解质，这会限制其可存储的电能量。

为了以合理的电压存储电荷，超级电容器必须串联。与电解电容器和静电电容器不同，超级电容器的特点是端电压低。为了将额定端电压增加到几十伏，超级电容器单元必须串联或并联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：V CELL为一节电池的电压，C CELL为一节电池的电容。

由于每个电容单元的电压约为3.0伏，将更多的电容单元串联在一起会增加电压。而并联更多的电容单元会增加其电容量。那么我们可以将超级电容器组的总电压和总电容定义为：

超级电容器电压和电容值

其中：M是列数，N是行数。另请注意，与电池一样，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体上。

超级电容器示1

电子电路需要5.5伏、1.5法拉超级电容器作为储能备用设备。如果超级电容器由单独的2.75v、0.5F电池制成，请计算所需的电池数量和阵列布局。

超级电容器电压

因此，该阵列将具有两个2.75V的电容器单元，每个电容器单元串联连接以提供所需的5.5V电压。

超级电容器电容

然后，该阵列将总共有六列，由两行各六列组成，从而形成一个具有6x2阵列的超级电容器，如图所示。

6×2超级电容器阵列

超级电容器阵列

超级电容能源

与所有电容器一样，超级电容器是一种能量存储设备。电能以电荷的形式存储在其板之间的电场中，由于存储的能量，两个板之间存在电势差，即电压。在充电期间（电流从连接的电源流过超级电容器），电能存储在其极板之间。

一旦超级电容器充电，电流就停止从电源流出，超级电容器端电压等于电源电压。因此，即使从电压源中移除，充电的超级电容器也会存储电能，直到需要它充当能量存储设备为止。

放电时（电流流出），超级电容器将储存的能量转变为电能，为连接的负载供电。那么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，超级电容器存储的能量与电容器的电容值成正比。

如前所述，存储的能量与电容C和两端电压V的平方成正比。

超级电容器中存储的能量

其中：E是以焦耳为单位存储的能量。对于上面的超级电容器示例，阵列存储的能量如下：

我们的超级电容器储存电能

那么我们的超级电容器可以存储的能量为22.7焦耳，该能量初是由5.5伏充电电源提供的。这种存储的能量仍然可以作为电解质电介质中的电荷使用，并且当连接到负载时，超级电容器的全部22.69焦耳能量可以作为电流使用。显然，当超级电容器完全放电时，存储的能量为零。

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能量，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，但由于电容值较大且额定电压较高，超级电容器的能量密度可以非常大，使其成为理想的储能设备。

事实上，额定值达到数千法拉和数百伏的超级电容器现在正在混合动力电动汽车（包括方程式赛车）中用作再生制动系统的固态储能设备，因为它们可以在制动和制动过程中快速释放和接收能量。之后加速。超级电容器也用于可再生能源系统中以取代铅酸电池。

超级电容器总结

我们已经看到，超级电容器是一种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，以静电方式存储电荷。这种布置有效地创建了两个电容器，每个碳电极一个，串联连接。

超级电容器的电容为数百法拉，物理尺寸非常小，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，因此必须串联和并联组合多个电容器才能提供任何有用的电压。

超级电容器可以用作类似于电池的储能装置，实际上也被归类为超级电容器电池。但与电池不同的是，超级电容器可以在更短的时间内实现更高的功率密度。

此外，超级电容器现在用于许多混合动力汽油汽车以及燃料电池驱动的电动汽车，因为它们能够快速释放高电压，然后再次充电，为下一个周期做好准备。

通过将超级电容器与传统燃料电池和汽车电池一起使用，可以更有效地控制峰值功率需求和负载条件的瞬态变化。

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