超级电容器的构造及其工作原理介绍

　　超级电容器的示意图（图片来源：维基百科）
　　电解质可以是液体或固体。在大多数超级电容器中，由于端电压较高，固体电解质是首选。固体电解质一般是混合有导电盐类的溶剂。通常，乙腈或碳酸丙烯酯用作溶剂，四烷基铵或锂盐用作溶质。涂有电极的集电器由隔膜（纸膜）隔开，隔膜对电荷载体来说是透明的，但避免了电极之间的直接短路。由于集电器的双面电极涂层，这些电容器也称为双电层电容器 （EDLC）。
　　电极材料的高度多孔性使这些电容器能够从电解质中吸引大量电荷载流子。由于使用活性炭，集电器之间的有效表面积增加了许多倍。电容器的内阻 （ESR） 取决于电解质。电解质提供的电阻越低，电容器的功率密度就越大。
　　超级电容器通常具有非常低的额定电压，范围从 1V 到 3V。以下等式给出了超级电容器存储的电能：
　　P = V 2 /4R
　　其中，
　　P 是超级电容器存储的功率，
　　V 是施加电压（或额定电压），
　　R 是电容器的内阻 （ESR）
　　它们的工作原理
　　当在超级电容器的端子之间施加电势差时，电极开始从电解质中吸引相反的电荷载流子。正离子积聚在负连接处，负离子积聚在正连接处。电荷载流子储存在集电板上。由于集电器上相反电荷的积累，在它们之间建立了静电场。充电电流流过电容器，直到集电器之间的静电场与施加的电压相等且相反。电荷载流子由集电器保留，直到施加的电压降低或改变极性。
　　每当施加的电压降低时，一定数量的电荷载流子就会从集电器返回到电解质中。在此过程中，等效电流反向流过电容器。当极性改变时，超级电容器会经历类似的充电和放电循环。
　　您会看到超级电容器尽管采用电化学结构，但仍以静电场的形式存储电荷。它的工作原理与任何其他电容器完全一样。这就是为什么尽管结构类似于电池，但超级电容器仍被归类为电容器而不是电池。与电池相比，超级电容器可以经历数千次充放电循环。因此，它们可以作为电池供电电路中极好的充电源或备用电源。
　　实用的超级电容器
　　超级电容器电池具有非常低的端电压额定值，可能在 1V 到 3V 之间。在串联连接超级电容器电池时，它们的额定电压可以成倍增加。类似地，超级电容器单元的并联使有效电容成倍增加。因此，超级电容器通常用作电池矩阵，其中它们沿行串联连接并沿列并联连接。下式给出了电池组的最终额定电压：
　　V = N * V Cell
　　其中，
　　V 为电池组的有效端电压
　　N 为行数或每列串联的超级电容器电芯数
　　V Cell为单个超级电容器电芯的端电压
　　下式给出了电池组的有效电容：
　　C = （M/N）*C Cell
　　其中，
　　C为有效电容
　　M为列数或每行并联的超级电容器电芯数
　　N为行数或每行串联的超级电容器电芯数
　　C列Cell是单个超级电容器电池的电容
　　优点
　　超级电容器与其他电容器和电池相比具有以下显着优点：
　　能够以静电场的形式储存大量能量。
　　高功率密度和紧凑的尺寸，使其适合用于典型电子电路的电荷存储。
　　具有短时间充放电能力，可满足频繁的电力需求高峰，可短时供应大功率突发。
　　不涉及电化学反应，因此没有操作磨损并延长使用寿命。它们可以使用数十万次而无需更换。
　　应用​
　　由于其电荷存储容量大、体积小以及快速充电和充电，超级电容器已在许多新兴技术中得到应用。超级电容器最终保留一席之地的主要领域之一是交通运输业。在电动汽车中，超级电容器用于制动系统以存储直流电机产生的反电动势。超级电容器存储的电荷可用于为车辆的电气系统供电并为电池充电。在电动汽车中，超级电容还可以作为电池的备用电源，因此需要安装更小的电池。混合动力汽车（在停车时完全关闭发动机）使用超级电容器在每次停车后重新启动发动机。
　　超级电容器的另一个有用应用是牵引车辆。牵引车辆经历加速、巡航和减速的多个阶段。超级电容器可用于此类车辆，以应对电压波动和运行功率损耗。
　　如今，超级电容器通常与智能手机、笔记本电脑和计算机的显示单元一起使用，以在短时间内为屏幕供电。这些也用于存储设备和备用电源。
　　超级电容器现在用于许多其他需要紧急备用电源或即时功率爆发的应用领域。超级电容器与电池的组合可以实现更小和紧凑的电源。



原作者：电子资料库