超级电容器原理及电特性

超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。 超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

超级电容器原理
电化学双层电容器（EDLC）因超级电容器被我们所熟知。超级电容器利用静电极化电解溶液的方式储存能量。虽然它是一个电化学器件，但它的能量储存机制却一点也不涉及化学反应。这个机制是高度可逆的，它允许超级电容器充电放电达十万甚至数百万次。

超级电容器可以被视为在两个极板外加电压时被电解液隔开的两个互不相关的多孔板。对正极板施加的电势吸引电解液中的负离子，而负面板电势吸引正离子。这有效地创建了两个电荷储层，在正极板分离出一层，并在负极板分离出另外一层。

传统的电解电容器存储区域来自平面，导电材料薄板。高电容是通过大量的材料折叠。可能通过进一步增加其表面纹理，进一步增加它的表面积。过去传统的电容器用介质分离电极，这些介质多数为：塑料，纸或薄膜陶瓷。电介质越薄，在空间受限的区域越可以获得更多的区域。可以实现对介质厚度的表面面积限制的定义。

超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料。这种材料的多孔结构，允许其面积接近2000平方米每克，远远大于通过使用塑料或薄膜陶瓷。超级电容器的充电距离取决于电解液中被吸引到电极的带电离子的大小。这个距离（小于10埃）远远小于通过使用常规电介质材料的距离。巨大的表面面积的组合和极小的充电距离使超级电容器相对传统的电容器具有极大的优越性。

超级电容器内部结构
超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。

 

图1. 超级电容器结构

超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。这是由超级电容器包装的几何结构决定的。对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终端，从而扩展电容器外的电流路径。

对于圆形或圆柱形封装的产品，电极切割成卷轴方式配置。最后将电极箔焊接到终端，使外部的电容电流路径扩展。

Maxwell超级电容器结构
 

图2. 超级电容器电极

 

图3.电极——制胜的关键

如上图2所示，为Maxwell超级电容的电极，这被认为是他们超级电容器技术的最关键部分。这个电极是由铝，碳元素制成，其中树脂作为粘合剂，纸作为隔膜。

超级电容器的特点
　　（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；
　　（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；
　　（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；
　　（4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；
　　（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；
　　（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；
　　（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；
　　（8）检测方便，剩余电量可直接读出；
　　（9）容量范围通常0.1F--1000F 。
法拉（farad），简称“法”，符号是F
1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V
1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A·S。
1库仑=1安培·秒
1法拉=1安培·秒/伏特