关于超级电容器的简介

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eefishing 发布时间：2020-2-14 01:47

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超级电容器是能够存储大量电荷的电能存储设备。与电阻以热量形式耗散能量的电阻不同，理想的电容器不会失去其能量。我们还看到，电容器的最简单形式是两个平行的导电金属板，它们被绝缘材料隔开，例如空气，云母，纸，陶瓷等，并通过距离“ d”称为电介质。

电容器存储能量的原因是其能够存储电荷，电容器上存储的电荷量取决于电压，施加在其极板上的V，电压越大，电容器将存储的电荷越多，如：Q ∞V。此外，电容器具有比例常数，称为电容，符号C，代表电容器存储电荷的能力或容量，电荷量取决于电容器的电容值：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，并且电容越大，对于相同电压量，电容器上存储的电荷量就越高，我们可以定义这种关系对于一个电容器来说：

用电容器充电

其中：Q （电荷，以库仑为单位）= C （电容，以法拉为单位）乘以 V （电压，以伏特为单位）

电容的单位是库仑/伏特，也称为法拉（F）[以法拉第先生命名]，其中一个法拉定义为电容器的电容，需要充电1库仑才能建立电势差。两个板之间的电压为1伏。

但是对于大多数实际的电子应用而言，常规的一法拉电容器将非常大，因此通常在以下情况下使用更小的单位：微法拉（μF），纳法拉（nF）和皮法拉（pF）。

微法拉（μF） 1μF= 1 / 1,000,000 = 0.000001 = 10 -6 F

纳米法拉（nF） 1nF = 1 / 1,000,000,000 = 0.000000001 = 10 -9 F

皮卡（fF） 1pF = 1 / 1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10 -12 F

但是，还有另一种可用的电容器，称为超级电容器或超级电容器，它可以以很小的尺寸提供从几毫法拉（mF）到几十法拉的电容值，从而允许在它们之间存储更多的电能。板。

在有关电容和电荷的教程中，我们看到电容器中存储的能量由以下公式给出：

其中：E是以焦耳为单位存储在电场中的能量，V是跨极板的电势差，C是以法拉为单位的电容器的电容，定义为：

其中：ε是极板之间的材料的介电常数，A是极板的面积，而d是极板的间距。

超级电容器是另一种电容器，其构造为具有一块大的导电板（称为电极），表面积（A）以及它们之间的很小距离（d）。与使用固态和干燥介电材料（例如聚四氟乙烯，聚乙烯，纸等）的常规电容器不同，超级电容器在其电极之间使用液体或湿电解质，这使其更像是一种类似于电解电容器的电化学装置。

尽管超级电容器是电化学装置的一种，但是在其电能存储中不涉及任何化学反应。这意味着，超级电容器有效地保持为静电设备，该静电设备以电场的形式在其两个导电电极之间存储其电能，如图所示。

超级电容器构造

双面涂覆电极由呈活性导电碳，碳纳米管或碳凝胶形式的石墨碳制成。称为隔离膜的多孔纸膜使电极保持隔开，但允许正离子通过，同时阻挡较大的电子。纸隔离器和碳电极都浸有液体电解质，并在两者之间使用了铝箔，以充当集电器，从而与超级电容器的焊片进行电连接。

碳电极和隔板的双层结构可能很薄，但是当它们缠绕在一起时，它们的有效表面积为数千平方米。然后，为了增加超级电容器的电容，很明显，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m 2为单位），或使用特殊类型的电解质来增加可用的表面积阳离子增加电导率。

然后超级电容器使由于其高电容成几百法拉的，由于非常小的距离的值的优异的能量存储设备d或它们的板的分离和电极高表面积甲用于形成一个表面上一层电解离子，形成双层。这种构造有效地创建了两个电容器，每个碳电极一个，使超级电容器有了“双层电容器”的副称，形成了两个串联的电容器。

然而，这种小尺寸的问题在于电容器上的电压只能非常低，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，根据所使用的电解质，典型的电容器单元的工作电压在1-3伏之间，这可能会限制其可以存储的电能量。

为了将电荷存储在合理的电压下，必须串联超级电容器。与电解电容器和静电电容器不同，超级电容器的特点是端子电压低。为了将额定端子电压提高到数十伏，超级电容器单元必须串联或并联以实现所示的更高电容值。

增加超级电容器的价值

其中：V CELL是一个电池的电压，C CELL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，因此将更多电容器单元串联在一起会增加电压。同时并联更多的电容器单元将增加其电容。然后，我们可以将超级电容器组的总电压和总电容定义为：

其中：M是列数，N是行数。还要注意，像电池一样，超级电容器和超级电容器具有定义的极性，正极端子标记在电容器主体上。

超级电容器示例1

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设备。如果超级电容器是由单个2.75v，0.5F电池制成的，请计算所需的电池数量和阵列布局。

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。

然后，该阵列将总共具有六列，每列由六行组成的两行，从而形成具有6 x 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设备。电能作为电荷存储在其板之间的电场中，并且由于这种存储的能量，在两个板之间存在电势差，即电压。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。

超级电容器充电后，电流就不再从电源中流过，并且超级电容器的端子电压等于电源电压。结果，即使从电源中移除，带电的超级电容器也将存储该电能，直到需要用作电能存储设备为止。

当放电（电流流出）时，超级电容器会将存储的能量转换为电能，以提供连接的负载。然后，超级电容器自身不消耗任何能量，而是将根据需要存储和释放电能，其中超级电容器中存储的能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和两端电压V的平方成正比。

其中：E是存储在焦耳中的能量。然后对于上面的超级电容器示例，该阵列存储的能量为：

然后，我们的超级电容器可以存储的最大能量为22.7焦耳，最初由5.5伏充电电源提供。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，当连接到负载时，超级电容器将整个22.69焦耳的能量作为电流使用。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电能以将能量存储在其电解质场中，然后在将电能传递给负载时将其返回。

在上面的简单示例中，超级电容器存储的能量约为23焦耳，但是由于电容值较大且额定电压更高，超级电容器的能量密度可能非常大，使其成为能量存储设备的理想选择。

事实上，混合动力电动汽车（包括一级方程式）的额定容量高达数千法拉和数百伏的超级电容器，已被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。超级电容器和超级电容器还用于可再生能源系统中，以代替铅酸电池。

超级电容器摘要

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制成，该电解质溶液可静电存储电荷。这种布置有效地产生了两个串联连接的电容器，每个碳电极一个。

超级电容器在很小的物理尺寸内即可提供数百个法拉的电容，并且可以实现比电池更高的功率密度。但是，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几个电容器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设备，并且实际上被归类为超级电容器电池。但是与电池不同，它们可以在短时间内获得更高的功率密度。它们用于许多混合动力汽油车和燃料电池驱动的电动汽车，因为它们能够快速释放高压然后再充电。但是，通过使超级电容器与燃料电池和电池一起使用，可以满足峰值功率需求，并且可以更有效地控制瞬态负载变化。