【山东精工·技术讲堂】 超级电容器理论介绍

各位朋友，大家好！

本文将分为三部分，带您由浅入深，全面了解超级电容器：

1.超级电容器介绍；2.超级电容器结构与原理；3.超级电容器性能参数

01

超级电容器介绍

1.电容器是什么

电容亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。

2.电容器的分类

电容器是电子设备中最常用的电子元件。

根据不同的使用途径选择不同种类不同类型的电容器。

根据电容的储能机理与材料的不同，超级电容器可以分为不同的种类。

3.什么是超级电容器

超级电容器，又称为电化学电容器、电子双层电容器、黄金电容、法拉电容（英文名称：Supercapacitor, Ultracapacitor, Goldcapacitor, Faradcapacitor, Electrical Double-Layer Capacitor(EDLC), 等）是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。

超级电容器是一种电化学元件，在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的；具有快充快放、长循环周期、高功率、安全性较高等优点。

4.超级电容器的优点

超级电容器的各项性能基本都是介于电池与传统电容器之间。

电池适合于高能量密度的应用，超级电容器适合于高功率密度的应用。

5.超级电容器储能技术路线图

02

超级电容器结构与原理

1.工作原理

双电层电容器（对于赝电容不在介绍），其充放电过程完全没有涉及到物质的变化，能量的存储只依靠离子的吸附。

超级电容器存储原理

Ref：Chem.Rev. 2018, 118, 9233−9280

2.超级电容器结构

扣式超级电容器

柱式超级电容器

3.1极片结构

3.2极片-活性炭

根据电容计算公式：

可知，对于双电层电容器电极的有效面积越大，电容器的电容越大。

单只超级电容器容量还会受到活性炭孔径，孔形貌和孔长的影响。

3.3极片-导电碳

导电碳在超级电容器中的作用主要是，增强极片的导电性能，一般研究认为在碳黑填充聚合物当中，电传导是沿着相接触的粒子或被分离成很小的间隙进行。

这就需要导电碳本身具有极高的导电性能，由于导电碳一般都是经过高温后得到的产物，所以材料具有较高的石墨化程度。

4.粘结剂

当前，工业生产上，超级电容器电极片所选用的主流粘结剂包括丁苯橡胶、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯丙烯酸酯等。

即其粘结作用是通过粘结剂大分子与活性炭、导电剂颗粒间点与点之间相互粘结而实现的。

在使用过程中，随着大电流、高低温的工况的冲击，电极片的粘结效果逐渐失效，造成电极片发硬、出现折痕，甚至活性物质涂层剥落的现象，直接导致超级电容器的容量、内阻、漏电流等各项性能变差。

5.隔膜

超级电容器的隔膜纸位于两个多孔化碳电极之间，与电极一起完全浸润在电解液中，在反复充放电过程中起到隔离的作用，阻止电子传导，防止两极间接触造成的内部短路。这就要求隔膜纸是电子的绝缘体，具有良好的隔离性能，并且其孔隙应尽可能小于电极表面活性物质的最小粒径。

6.电解液

03

超级电容器性能参数

1.1

容量

电容的大小决定了器件容纳电荷的能力大小。

一个电容器，如果带1C的电量时且两级间的电势差是1V，这个电容器的电容就是1F，即

但电容的大小不是由Q或U决定的，其中，εr是相对介电常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。

实验测试使用的方法是参考《IEC62391 电气设备用固定式双层电容器》标准：

首先用直流电源对超级电容进行充电，电容电压达到额定电压后再恒压充电30分钟，然后对电容进行恒流放电，测量超级电容放电过程中的端电压，根据电容器端电压从80%的额定电压放电至40%的额定电压所需的时间计算出静电容量值。

备注：IEC：国际电工委员会

1.2

容量计算

相同的两个单只电容若是放电电压小于单只的额定电压，在相同的电压窗口下单只放电时间是模组的二倍，若是工作电压在1V一下，水系电解液就很有优势。

串联电容容量：

这里可以得到结论，单只电容与使用同种单只的串联组合电容充到额定电压所用的时间相同。

02

能量

超级电容器存储能量的大小

承接上页：对于串联的超级电容器

每个电容的容量相同，即C1=C2=C3=Cn

03

内阻

在超级电容器中，内阻的大小对单体的容量和寿命、模块的组合、电压均衡电路的设计等至关重要。

超级电容器的简单等效电路图可以用如下电路图表示，其中RΩ为欧姆内阻，Rct为电荷转移电阻，Cdl为双电层电容，Rw为扩散电阻。

04

脉冲（内阻）电流

t为脉冲（峰值）电流持续的时间。

05

电压

超级电容器的电压与使用的电解液的种类有关。

施加超过使用电压的电压不仅会缩短使用寿命，还会因电化学反应造成气体发生量增加，漏液，破裂等致命故障。

06

极性

超级电容器采用对称电极设计，当电容首次装配时，每一个电极都可以被当成正极或者负极，一旦电容被第一次100%从满电时，电容就会变成有极性了。如果一个电容长时间按照一个方向充电后变换极性，那么电容的寿命将会被缩短。

备注：常规超级电容器产品，出厂时已确认极性，在产品外壳/套管有标注。

07

漏电流和搁置电压

漏电流：

超级电容器在特定电压下保持“已充电”状态下所需的电流量称为“漏电流”。充电电流随着时间的推移而减小，并且随着时间的推移变得稳定，最后其稳态电流就是“漏电流”。

搁置电压：

充电电源与超级电容器断开后，由于其高内阻而开始失去电荷，这被称为自放电特性。在无负载条件的一段时间后，充电电容器中的电压降。

通常讲漏电是由于设计的缺陷等造成的，充电时，一边充，一边发生电流消耗浪费的现象；而自放电是指电池充满电后，放置一段时间，容量慢慢变少的情况，这是由于电极材料的杂质或者什么原因引起的，是正常现象（电容材料造成）。

电容设计一般在尽量降低自放电率，而完全避免漏电。

08

寿命

超级电容器的使用温度越低，使用电压越低，产品的寿命越长。

备注：以上超级电容器寿命估算公式仅供参考，不同厂商的计算公式不同。

以上是本期的超级电容器理论介绍。

>>下期预告：【山东精工·技术讲堂】《超级电容器选型介绍》

#山东精工#超级电容器#法拉电容#金电容#电池替代#新能源#掉电保护#后备电源#储能#电容#被动元件#电子元器件

本文为山东精工原创文章，未经允许和授权，禁止转载，否则将严格追究法律责任。

山东精工能源科技有限公司

邮箱：market09@goldencell.biz

网址：https://www.goldencellbattery.cn/

地址：深圳市南山区粤兴四道北航大厦1号楼8006

电话：13662274552