超級(jí)電容器構(gòu)造及能量說(shuō)明

超級(jí)電容器是能夠存儲(chǔ)大量電荷的電能存儲(chǔ)設(shè)備.

與以熱量形式耗散能量的電阻器不同，理想的電容器不會(huì)松動(dòng)它的能量。我們還看到，最簡(jiǎn)單的電容器形式是兩個(gè)平行的導(dǎo)電金屬板，它們用絕緣材料隔開(kāi)，如空氣，云母，紙張，陶瓷等，并稱為電介質(zhì)一段距離“d”。 / p>

電容器存儲(chǔ)能量是因?yàn)樗鼈兡軌虼鎯?chǔ)電荷，電荷存儲(chǔ)在電容器上，具體取決于電壓施加在其板上的電壓 V ，電壓越大，電容器將存儲(chǔ)的電荷越多：Q∞V。

典型的超級(jí)電容器

此外，電容具有恒定的比例，稱為電容，符號(hào) C ，它表示電容器存儲(chǔ)電荷的能力或容量，其電荷量取決于電容器電容值為：Q∞C。

然后我們可以看到電荷 Q ，電壓之間存在關(guān)系V 和電容 C ，電容越大，電容器上存儲(chǔ)的電荷量越大，電壓相同，我們可以將電容器的這種關(guān)系定義為：

電容器充電

其中： Q （充電，以庫(kù)侖計(jì)）= C （電容，輸入法拉數(shù)乘以 V （電壓，單位為伏特）

電容單位為庫(kù)侖/伏特，也稱法拉（ F ） [以M.法拉第命名]，其中一個(gè)法拉定義為電容器的電容，需要1庫(kù)侖電荷才能在兩個(gè)板之間建立1伏的電位差。

但是傳統(tǒng)的對(duì)于大多數(shù)實(shí)際電子應(yīng)用來(lái)說(shuō)，法拉電容器非常大，因此微法拉（μF），納法（ nF ）和皮法（ pF

）常用于：

微法拉（μF）1μF= 1 / 1,000,000 = 0.000 001 = 10 -6 F

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

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

然而，還有另一種類型的電容器，稱為超級(jí)電容器或超級(jí)電容器，它可以提供從幾毫法（mF）到十幾平方英寸電容的值，非常小大小允許在它們的板之間存儲(chǔ)更多的電能。

在我們關(guān)于電容和電荷的教程中，我們看到存儲(chǔ)在電容器中的能量由下式給出：

其中： E 是以焦耳為單位存儲(chǔ)在電場(chǎng)中的能量， V 是電路板上的電位差， C 是電容器的電容，單位為法拉，定義為：

其中：ε是pl之間材料的介電常數(shù)ates， A 是板的面積， d 是板的分離。

Ultracapacitors 是另一個(gè)電容器的類型，其構(gòu)造為具有大的導(dǎo)電板，稱為電極，表面積（ A ）以及它們之間的非常小的距離（ d ）。與使用諸如聚四氟乙烯，聚乙烯，紙等固體和干燥介電材料的傳統(tǒng)電容器不同，超級(jí)電容器在其電極之間使用液體或濕電解質(zhì)，使其更像是類似于電解電容器的電化學(xué)裝置。

盡管超級(jí)電容器是一種電化學(xué)裝置，但其電能的存儲(chǔ)不涉及化學(xué)反應(yīng)。這意味著超級(jí)電容器有效地保持靜電裝置，如圖所示，在其兩個(gè)導(dǎo)電電極之間以電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)其電能。

超級(jí)電容器構(gòu)造

雙面涂層電極由活性導(dǎo)電碳，碳納米管或碳凝膠形式的石墨碳制成。稱為隔膜的多孔紙膜使電極保持分開(kāi)但允許正離子通過(guò)而阻擋較大的電子。紙分離器和碳電極都浸有液體電解質(zhì)，在兩者之間使用鋁箔作為集電器，與超級(jí)電容器焊片形成電連接。

雙層結(jié)構(gòu)碳電極和隔板可能非常薄，但當(dāng)它們盤繞在一起時(shí)，它們的有效表面積達(dá)到數(shù)千平方米。然后，為了增加超級(jí)電容器的電容，很明顯我們需要增加接觸表面積 A （m 2 ）而不增加電容器物理尺寸，或使用特殊類型的電解質(zhì)來(lái)增加可用的正離子以增加電導(dǎo)率。

然后超級(jí)電容器因其高電容值而成為優(yōu)秀的儲(chǔ)能設(shè)備由于距離 d 的距離非常小，或者它們的板與電極分離，因此在一層表面上形成高表面積 A ，可達(dá)數(shù)百法拉。電解離子形成雙層。這種結(jié)構(gòu)有效地產(chǎn)生了兩個(gè)電容器，每個(gè)碳電極一個(gè)，給超級(jí)電容器的次要名稱“雙層電容器”形成兩個(gè)串聯(lián)的電容器。

然而，這個(gè)小尺寸的問(wèn)題是電壓電容器兩端的電阻只能非常低，因?yàn)槌?jí)電容器電池的額定電壓主要由電解質(zhì)的分解電壓決定。然后，典型的電容器單元具有1到3伏的工作電壓，這取決于所使用的電解質(zhì)，這可以限制它可以存儲(chǔ)的電能量。

為了將電荷存儲(chǔ)在合理的電壓下超級(jí)電容器必須串聯(lián)連接。與電解電容和靜電電容不同，超級(jí)電容的特點(diǎn)是端電壓低。為了將額定端電壓增加到幾十伏，超級(jí)電容器電池必須串聯(lián)連接或并聯(lián)連接以獲得更高的電容值，如圖所示。

增加超級(jí)電容器值

其中： V CELL 是一個(gè)單元格的電壓， > C CELL 是一個(gè)電池的電容。

由于每個(gè)電容器電池的電壓約為3.0伏，將更多的電容器電池串聯(lián)在一起會(huì)增加電壓。雖然并聯(lián)連接更多電容器單元將增加其電容。然后我們可以將超級(jí)電容器組的總電壓和總電容定義為：

其中： M 是列數(shù)， N 是行數(shù)。另請(qǐng)注意，類似電池，超級(jí)電容器和超級(jí)電容器具有明確的極性，正極端子標(biāo)記在電容器主體上。

超級(jí)電容器實(shí)例No1

需要一個(gè)5.5伏，1.5法拉的超級(jí)電容器作為用于電子電路的儲(chǔ)能備用裝置。如果超級(jí)電容器由單獨(dú)的2.75v，0.5F電池制成，則計(jì)算所需的電池?cái)?shù)量和陣列的布局。

因此，陣列將有兩個(gè)串聯(lián)的2.75v電容單元，以提供所需的5.5v。

然后陣列將有六個(gè)單獨(dú)的列，由兩行六個(gè)組成，從而形成一個(gè)超級(jí)電容器，其中包含一個(gè)6 x 2陣列。

6× 2超級(jí)電容器陣列

超級(jí)電容器能量

與所有電容器一樣，超級(jí)電容器是一種能量存儲(chǔ)設(shè)備。電能作為電荷存儲(chǔ)在其板之間的電場(chǎng)中，并且由于該存儲(chǔ)的能量，在兩個(gè)板之間存在電勢(shì)差，即電壓。在充電期間（電流從連接的電源流過(guò)超級(jí)電容器），電能存儲(chǔ)在其板之間。

一旦超級(jí)電容器充電，電流就會(huì)停止從電源流出，超級(jí)電容器的端電壓等于電源電壓。因此，即使從電源中取出電荷，充電的超級(jí)電容器也會(huì)存儲(chǔ)這些電能，直到需要充當(dāng)儲(chǔ)能裝置。

當(dāng)放電（電流流出）時(shí)，超級(jí)電容器會(huì)改變儲(chǔ)存的電能。將能量轉(zhuǎn)化為電能以提供連接的負(fù)載。然后超級(jí)電容器本身不消耗任何能量，而是根據(jù)需要存儲(chǔ)和釋放電能，超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的能量與電容器的電容值成比例。

如前所述，存儲(chǔ)的能量與電容 C 成正比，電壓 V 的平方在其端子上給出。

其中： E 是存儲(chǔ)在焦耳中的能量。然后對(duì)于我們上面的超級(jí)電容器示例，數(shù)組存儲(chǔ)的能量數(shù)量如下：

然后我們的超級(jí)電容器可存儲(chǔ)的最大能量為22.7焦耳，最初由5.5伏充電電源供電。這種儲(chǔ)存的能量仍然作為電解質(zhì)電介質(zhì)中的電荷可用，并且當(dāng)連接到負(fù)載時(shí)，超級(jí)電容器整個(gè)22.69焦耳的能量可用作電流。顯然，當(dāng)超級(jí)電容器完全放電時(shí)，存儲(chǔ)的能量為零。

然后我們可以看到理想的超級(jí)電容器不會(huì)消耗或耗散能量，而是從外部充電電路獲取電能來(lái)存儲(chǔ)能量。它的電解質(zhì)場(chǎng)然后在向負(fù)載供電時(shí)返回儲(chǔ)存的能量。

在上面的簡(jiǎn)單示例中，超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量約為23焦耳，但電容值較大且額定電壓較高，超級(jí)電容器的能量密度非常大，使其成為儲(chǔ)能裝置的理想選擇。

事實(shí)上，現(xiàn)在，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（包括配方）正在使用額定電流為數(shù)千法和幾百伏的超級(jí)電容器。 1）作為用于再生制動(dòng)系統(tǒng)的固態(tài)能量存儲(chǔ)裝置，因?yàn)樗鼈兛梢栽谥苿?dòng)期間快速地發(fā)出和接收能量并且之后加速。超級(jí)和超級(jí)電容器也用于可再生能源系統(tǒng)，以取代鉛酸電池。

超級(jí)電容器概述

我們已經(jīng)看到超級(jí)電容器是電化學(xué)的由兩個(gè)多孔電極組成的裝置，通常由浸入電解質(zhì)溶液中的活性炭組成，該電解質(zhì)溶液靜電儲(chǔ)存電荷。這種布置有效地產(chǎn)生了兩個(gè)電容器，每個(gè)電極一個(gè)，串聯(lián)連接。

超級(jí)電容器的電容可達(dá)數(shù)百法拉，所有這些電容都在非常小的物理尺寸內(nèi)，并且可以實(shí)現(xiàn)比電容器高得多的電容密度。電池。然而，超級(jí)電容器的額定電壓通常小于約3伏，因此必須將多個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)組合以提供任何有用的電壓。

超級(jí)電容器可用作類似于電池，實(shí)際上被歸類為超級(jí)電容器電池。但與電池不同，它們可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。它們用于許多混合動(dòng)力汽油車和燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛，因?yàn)樗軌蚩焖籴尫?a target="_blank">高壓然后再充電。但是，通過(guò)操作具有燃料電池和電池峰值功率需求的超級(jí)電容器，可以更有效地控制瞬態(tài)負(fù)載變化。