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超级电容器

 

什么是超级电容器？

  超级电容器是用于存储极大量电荷的电子设备。它们也被称为双层电容器或超级电容器。超级电容器使用两种机制来存储电能，而不是使用传统的电介质：双层电容和伪电容。双层电容源于静电，而赝电容是电化学的，这意味着超级电容器将普通电容器的工作与普通电池的工作相结合。使用该技术实现的电容可高达12000 F.相比之下，整个行星地球的自电容仅为710μF，比超级电容器的电容小1500多万倍。普通静电电容可能具有较高的最大工作电压，超级电容器的典型最大充电电压介于2.5和2.7伏之间。超级电容器是极性器件，这意味着它们必须以正确的方式连接到电路，就像电解电容器一样。这些器件的电气特性，特别是它们的快速充电和放电时间，对于某些应用非常有意义，超级电容器可能完全取代电池。

 

超级电容器的定义

  超级电容器是一种特殊设计的电容器，具有非常大的电容。超级电容器将电容器和电池的特性结合到一个设备中。

 

特点

充电时间

  超级电容器的充电和放电时间与普通电容器相当。由于其低内阻，可以实现高充电和放电电流。电池通常需要几个小时才能达到完全充电状态 - 一个很好的例子是手机电池，而超级电容器可以在不到两分钟的时间内达到相同的充电状态。

 

具体力量

  电池或超级电容器的比功率是用于在最大功率输出除以设备的总质量方面比较不同技术的度量。超级电容器的比功率比电池大5到10倍。例如，虽然锂离子电池的比功率为1-3千瓦/千克，但典型超级电容器的比功率约为10千瓦/千克。在需要快速从存储设备释放的能量突发的应用中，该特性尤其重要。

 

循环寿命和安全

  在处理不当时，超级电容器电池比普通电池更安全。虽然已知电池在短路时由于过热而爆炸，但超级电容器由于其低内阻而不会加热太多。将完全充电的超级电容器短路将导致储存能量的快速释放，这可能导致电弧，并且可能导致设备损坏，但与电池不同，产生的热量不是问题。

 

超级电容器可以充电和放电数百万次，并且具有几乎无限的循环寿命，而电池仅具有500次和更高的循环寿命。这使得超级电容器在需要频繁存储和释放能量的应用中非常有用。

 

 

 

缺点

  超级电容器也有一些缺点。一个缺点是比能较低。比能量是装置中存储的总能量除以其重量的量度。虽然手机中常用的锂离子电池具有100-200 Wh / kg的比能量，但超级电容器通常只能存储5 Wh / kg。这意味着具有与普通电池相同容量（非电容）的超级电容器将重达40倍。不要将比能量与比功率相混淆，比功率是每重量装置的最大输出功率的量度。

 

另一个缺点是线性放电电压。例如，额定电压为2.7V的电池，当电量为50％时仍会输出接近2.7V的电压，而额定电压为2.7V，50％电荷的超级电容器则输出其最大充电电压的一半 - 1.35V。这意味着输出电压将低于在超级电容器（例如手机）上运行的设备的最小工作电压，并且该设备必须在使用电容器中的所有电荷之前关闭。该问题的解决方案是使用DC-DC转换器。这种方法引入了新的困难，例如效率和功率噪声。

 

成本是目前可用的超级电容器的第三大缺点。超级电容器的每Wh成本是锂离子电池的20倍以上。然而，通过新技术和超级电容器电池的大规模生产可以降低成本。

 

低比能量，线性放电电压和高成本是防止超级电容器在大多数应用中更换电池的主要原因。

 

超级电容器的结构和性能

  超级电容器的结构类似于电解电容器的结构，因为它们由两个箔电极，电解质和箔分离器组成。将隔板夹在电极之间，将箔卷起或折叠成通常为圆柱形或矩形的形状。将该折叠形式放入壳体中，浸渍电解质并密封。用于构造超级电容器以及电极的电解质不同于普通电解电容器中使用的电解质。

 

为了存储电荷，超级电容器使用多孔材料作为隔板，以便以原子水平将离子存储在那些孔中。现代超级电容器中最常用的材料是活性炭。碳不是良好的绝缘体这一事实导致最大工作电压限制在3 V以下。由于另一个原因，活性炭不是完美的材料：电荷载体的尺寸与材料中的孔相当，其中一些不能适合较小的毛孔，导致存储容量降低。

 

超级电容器研究中最令人兴奋的材料之一是石墨烯。石墨烯是一种由纯碳组成的物质，排列在仅一个原子厚度的平面片中。它非常多孔，充当离子“海绵”。在超级电容器中使用石墨烯可实现的能量密度与电池中的能量密度相当。然而，尽管石墨烯超级电容器的原型已被作为概念证明，但石墨烯难以以工业量生产并且昂贵，这推迟了该技术的使用。即便如此，石墨烯超级电容器是未来超级电容器技术进步的最有希望的候选者。

 

超级电容器的应用

  由于超级电容器填补了电池和电容器之间的空白，因此它们可用于各种应用。一个有趣的应用是KERS中的能量存储，或汽车工业中的动态制动系统（动能回收系统）。这种系统中的主要问题是构建能够快速存储大量能量的能量存储装置。一种方法是使用将将动能转换成电能并将其存储在超级电容器中的发电机。该能量可以在以后重复使用以提供加速功率。

 

另一个例子是低功率应用，其中高容量不是必需的，但是高寿命周期或快速充电是重要的。这些应用是照相闪光灯，MP3播放器，静态存储器（SRAM），它需要低功率恒压源来保留信息等等。

 

未来可能的超级电容器应用包括手机，笔记本电脑，电动汽车以及目前使用电池供电的所有其他设备。从实用角度来看，最激动人心的优势是它们的充电速度非常快，这意味着将电动汽车插入充电器几分钟就足以让电池完全充电。