超级电容是什么？详解超级电容工作原理、特性及应用

简单地说，超级电容是一种非常大的极化电解质电容。这里的‘大’指的是容量，而不是它们的物理尺寸。

 

的确，对于普通的电解电容来说，电容值和/或电压值越大，整个封装也越大。电解电容通常提供微法拉数量级的电容值，从约0.1uF到约1F，其电压标称值最高可达1kVdc。一般来说，额定电压越高，电容值就越小，而电容值越大，封装也就越大，而且工作电压也可能会降低。

这些规则基本上也适用于超级电容。超级电容的容值在1F以上，工作电压范围从1.5V到160V甚至更高。随着电容值和电压增加，其体积也会增加。

电容值在数十法拉左右的早期超级电容是个大块头，主要用于大型电源设备。具有低电压工作能力的小体积超级电容则常用作消费电子设备中的短期备用电源。

尽管超级电容和电解电容存在很大的相似性，但在电气性能和物理尺寸方面也有很大的差异。例如，一个普通的10uF、25Vdc额定电压电解电容尺寸可能略小于甚至等同于1F到10F、2.7Vdc的超级电容。随着最近技术的进步，将超级电容的工作电压提高到25Vdc时，尺寸增加不到一倍，根据具体应用场合，这样的体积变化可能并不十分显著。

剖析超级电容

原则上讲，人们可以将超级电容看作是一个可充电电池。它能存储与其容量成正比的电荷，并在要求放电时释放电荷。超级电容与电解电容的最大区别是其电子双层架构，它能实现更高的容量。

 

标准电容的结构是在两个附属于金属板上的电极之间夹一层电介质层(图1)。根据电容类型不同，电介质可以是氧化铝、四氧化钽、氧化钛钡或聚丙烯聚酯，不同的材料决定了不同的容量和电压特性(图2)。电介质的多少和极板间的距离也会影响电容量。然而，极板间最大允许距离限制了电介质的数量。

 

在这种单层结构中，增加电介质数量来提高容量通常是可行的，方法有三种，即增加封装宽度和极板尺寸、增加封装长度和增加极板距离或这两种方法的组合。这三种方法都将导致电容器的体积变大，这是增加电容容量必须做出的一种牺牲。

双电层电容器(EDLC)正如它的字面意义那样可以解决上述问题，它在相同的封装内增加了第二个电介层，这个电介层与第一层在中间隔离物的两边并行工作(图3)。EDLC也采用无孔电介质，如活性碳、碳纳米管、炭黑凝胶，并选用导电聚合物，其存储容量要比标准的电解材料高出许多。额外层和更高效电介材料的这种组合能使电容容量提高近4个数量级。

 

不过，电压能力是超级电容的薄弱环节，根源在于电介质材料。EDLC中的电介质特别薄，只有纳米数量级，因此能产生很大的表面积，从而形成更大的容量。但这些很薄的层不具有传统电介质理想的绝缘特性，因此要求较低的工作电压。

超级电容应用

与标准电容和电池相比，EDLC的多个优点使得它们能成为理想的替代品。这些优点包括：与可重复充电电池相比充放电次数更多，实际效率高达98%，更低的内部电阻，大输出功率，更好的热性能，与电池和标准电容相比有更好的安全余量。

与所有类型的电池不同，EDLC没有特殊的处理要求，因此在整个生命周期内都具有环境友好特性。以前又大又笨重的超级电容现在已经有了各种尺寸的产品，可以适合任何应用以及几乎任何预算。

如前所述，大电容值的超级电容在物理尺寸方面不再是一个障碍。5F以上的超级电容已经开始应用于许多便携式和手持式产品。在一些案例中，这些元件甚至可以代替给这些产品供电的电池。

Tecate Group推出了具有多样配置的多种PowerBurst品牌超级电容器。针对通用的脉冲电源、混合电池和便携式产品应用，径向引线的TPL和径向折弯的TPLS系列双层电容器分别具有0.5F到70F和100F到400F的容量(图4)。这两类器件的电压额定值都是2.7V，工作温度范围是-40℃到65℃。TPL和TPLS系列的最大高度分别是45mm(100F)和60mm(400F)。超级电容(Ultracapacitor)是近期发展起来的一种新型储能元件，是一种具有超级储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源，它与常规电容器不同，其容量可达数万法。超级电容按储能机理主要分为三类：①由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容；②采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容；③由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反应的电容。

由于双电层电容的充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过程快，因此比较适合在电动车中应用。双电层超级电容是靠极化电解液来储存电能的一种新型储能装置，其原理结构如图l所示。当向电极充电时，处于理想化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面形成双电荷层，构成双电层电容。由于超级电容与传统电容相比，储存电荷的面积大得多，电荷被隔离的距离小得多，因此一个超级电容单元的电容量就高达几法至数万法。由于采用了特殊的工艺，超级电容的等效电阻很低，电容量大且内阻小。使得超级电容可以有很高的尖峰电流，因此具有很高的比功率，高达蓄电池的50～100倍，可达到10kW／kg左右，这个特点使超级电容非常适合于短时大功率的应用场合。