超级电容器基础知识(原理_应用_功能_分类_优缺点)

工程师姚远香 发表于 2018-06-16 16:51:00 收藏 已收藏
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超级电容器基础知识(原理_应用_功能_分类_优缺点)

工程师姚远香 发表于 2018-06-16 16:51:00
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摘要:电容器是储存电荷的常用电子器件,在许多电子设备中得到了广泛的运用。由于新时期行业技术的迅速发展,早期的电路结构逐渐被更复杂的电路形式取代,普通的电容器已经满足不了电路运行的需要。为了达到高负荷或超负荷电路运行的需要,国内开始推广使用超级电容器,这种器件在性能上比传统电容器更加优越。文中阐述了电容器的原理、基本功能、优缺点等。

常规电容仅能满足结构简单、负荷较小的电路运行要求,对于大负荷的电路运行则难以起到储存电荷的效果。近年来,超级电容器的推广应用有效地解决了大负荷电路运行的难题,保证了电力电子设备使用性能的正常发挥。

1 超级电容器原理与应用

超级电容器实际上属于电化学元件,引起电荷或电能储存流程可相互逆转,其循环充电的次数达到10万次。凭借多个方面的性能优势,超级电容器的应用范围逐渐扩大,掌握该装置的原理有助于正常的操作使用。

1.1 超级电容器的原理

“双电层原理”是超级电容器的核心,这是由该装置的双电层结构决定的。超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压作用于普通电容器的两个极板时,装置存储电荷的原理是一样的,即正电极与正电荷对应、负电极与负电荷对应。而超级电容器除了这些功能外,若其受到电场作用则会在电解液、电极之间产生相反的电荷,此时正电荷、负电荷分别处于不同的接触面,这种条件下的负荷分布则属于“双电层”,原理如图1.因电容器结构组合上的改进,超级电容器的电容储存量极大。此外,如果超级电容器两极板间电势小于电解液的标准电位时,超级电容器则是正常的工作状态,相反则不正常。根据超级电容器原理,其在运用过程中并没有出现化学反应,仅仅是在物理性质上的变化,因而超级电容器的稳定性更加可靠。

图1 超级电容的结构原理

1.2 超级电容器的应用

目前,超级电容器凭借强大的储存容量及存储性能,在许多大中小型设备中得到了普遍运用,且涉及到的行业较为广泛。具体运用在:真空开关、仪器仪表、数码相机等微小电流供电的后备电源;太阳能产品以及小型充电产品的充电电池。由于超级电容器的功能优势显着,在使用时可适当添加辅助元件以优化电容器结构,从而进一步增强了超级电容器的结构性能。

2 超级电容器的主要功能

与普通电容器相比,超级电容器在结构上进行了改进调整,且在原理上得到了优化。但在使用期间超级电容器与常规电容器的功能相近。新型电容装置的功能集中表现在:旁路、去耦、储能等方面,这些对于电路运行或存储电荷都有着明显的调控作用。具体功能如下:

(1)旁路。超级电容器中的旁路电容可以定期储存电能,但其它元器件在运行中需要能量时,则能及时释放出电荷维持使用。旁路电容器的最大功能表现于稳压器电荷输出的均衡,避免了电荷传输混乱而引起电路故障,装置充电、放电的灵活性较强,如图2.

图2 旁路电容原理

(2)去耦。去耦主要是针对电路内产生的“耦合”现象而言,耦合是由于电路中电流、电阻失去均衡而引起的一种“噪声”,不利于电路内部载荷的均衡布置。

超级电容器使用之后,能有效地消除耦合现象,让电路中的各项指标参数维持在标准状态。                                
               
(3)储能。无论是普通的电容器或者超级电容器,储存电荷或电能都是极为关键的性能。超级电容器的电荷储存容量更大,能满足更多电子元件的使用需求。

超级电容器把存储的能量利用变换器引线传送至电源的输出端之后,经过优化处理能进一步强化电容的存储性能。

3 新型电容器的不同分类

由于超级电容器是一类新型产品,在结构、材料、性能等方面都进行了不同的更新调整。根据不同的内容,对超级电容器进行分类的方法是各不相同的。当前,对于超级电容器的分类一般参照电容器的原理、电解质等两大要素划分,每一类超级电容器又可分成不同的类别。

(1)根据原理分类。根据不同的作用原理,超级电容器主要划分成双电层型超级电容器、赝电容型超级电容器等两大类。双电层型超级电容器,在制造材料上进行了更新处理,如:活性碳电极材料,结合高比表面积的活性碳材料加工后制成电极;碳气凝胶电极材料,结合前驱材料制备凝胶,再进行碳化活化处理作为电极。赝电容型超级电容器,一般采用了金属氧化物电极材料、聚合物电极材料。前者有:NiOx、MnO2、V2O5等用于正极材料,活性碳等用于负极材料,后者有:PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极。

(2)根据电解质分类。电解质是溶于水溶液之后具备导电性能的化合物。超级电容器里的电解质包括:水性电解质、有机电解质等两种。水性电解质比较普遍的电解质有酸性、碱性、中性之分,不同特性电解质的组成也不相同。如:酸性电解质由36%的H2SO4水溶液构成,碱性电解质由KOH、NaOH 等强碱构成等。有机电解质一般选择LiClO4为主的锂盐、teABF4为主的季胺盐等当成电解质,有时可根据使用需要添加相应的溶剂,如:PC、ACN、GBL、THL等,这些对于超级电容器的性能都有明显的改善。

根据电解质对超级电容器分类方法中,还可以结合电解质的具体状态详细分类。如:按照电解质的固态、液态形式又可分为固体电解质超级电容器、液体电解质超级电容器。

4 超级电容器使用的优缺点

超级电容器在使用过程中并非每一个方面都是优越的,这就要求在运用超级电容器时能熟练掌握该装置的优缺点。受到制造技术的限制,我国在使用超级电容器时还存在安装、调试等方面的不足。不少设备因盲目使用超级电容器造成电路故障,影响了整个设备性能的发挥。作为电容器的新产品,超级电容器呈现出来的优点要显着大于缺点。

(1)优点。超级电容器是普通电容装置的升级,在对早期的电容器实施了多个方面的改良。主要优点在:①电容量。早期使用的常规电容器,电容存储量较小,仅能满足小负荷的电路需求;而超级电容器的电容量级别可达到法拉级,能适合更复杂的电路运行需要。②电路。超级电容器对电路结构的要求较低,不需要设置特殊的充电电路、控制放电电路,且电容器的使用时间不会受到过充、过放的影响。③焊接。普通电容器无法进行焊接,在安装超级电容器时可根据需要进行焊接处理,防止了电池接触不良等现象的发生,提高了电容器元件的使用性能。

(2)缺点。通过对超级电容器的性能测试,笔者发现这种新型电容器也存在缺点。如:①泄漏。超级电容器安装位置不合理,容易引起电解质泄漏等问题,破坏了电容器的结构性能。②电路。超级电容器仅限于直流电路的使用,这是由于与铝电解电容器相比,超级电容器的内阻更大,不适合交流电路的运行要求。③价格。由于超级电容器是新一代高科技产品,其刚刚推向市场时价格相对较高,增加了设备运行的成本投入。

5 结 论

总之,长期以来国内采用的均是常规的电容器,其由两片接近并相互绝缘的导体构成电极之后,用于储存电荷、电能的电子元件。超级电容器即“双电层电容器”,目前是储存电能的新器件。从物理角度看,超级电容器具备了充电耗时短、运行时间长、温控效果好、环保性能强等特点。  

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