超級電容器基礎(chǔ)知識（原理_應(yīng)用_功能_分類_優(yōu)缺點(diǎn)）

摘要：電容器是儲存電荷的常用電子器件，在許多電子設(shè)備中得到了廣泛的運(yùn)用。由于新時期行業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，早期的電路結(jié)構(gòu)逐漸被更復(fù)雜的電路形式取代，普通的電容器已經(jīng)滿足不了電路運(yùn)行的需要。為了達(dá)到高負(fù)荷或超負(fù)荷電路運(yùn)行的需要，國內(nèi)開始推廣使用超級電容器，這種器件在性能上比傳統(tǒng)電容器更加優(yōu)越。文中闡述了電容器的原理、基本功能、優(yōu)缺點(diǎn)等。

常規(guī)電容僅能滿足結(jié)構(gòu)簡單、負(fù)荷較小的電路運(yùn)行要求，對于大負(fù)荷的電路運(yùn)行則難以起到儲存電荷的效果。近年來，超級電容器的推廣應(yīng)用有效地解決了大負(fù)荷電路運(yùn)行的難題，保證了電力電子設(shè)備使用性能的正常發(fā)揮。

1 超級電容器原理與應(yīng)用

超級電容器實(shí)際上屬于電化學(xué)元件，引起電荷或電能儲存流程可相互逆轉(zhuǎn)，其循環(huán)充電的次數(shù)達(dá)到10萬次。憑借多個方面的性能優(yōu)勢，超級電容器的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，掌握該裝置的原理有助于正常的操作使用。

1.1 超級電容器的原理

“雙電層原理”是超級電容器的核心，這是由該裝置的雙電層結(jié)構(gòu)決定的。超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓作用于普通電容器的兩個極板時，裝置存儲電荷的原理是一樣的，即正電極與正電荷對應(yīng)、負(fù)電極與負(fù)電荷對應(yīng)。而超級電容器除了這些功能外，若其受到電場作用則會在電解液、電極之間產(chǎn)生相反的電荷，此時正電荷、負(fù)電荷分別處于不同的接觸面，這種條件下的負(fù)荷分布則屬于“雙電層”，原理如圖1.因電容器結(jié)構(gòu)組合上的改進(jìn)，超級電容器的電容儲存量極大。此外，如果超級電容器兩極板間電勢小于電解液的標(biāo)準(zhǔn)電位時，超級電容器則是正常的工作狀態(tài)，相反則不正常。根據(jù)超級電容器原理，其在運(yùn)用過程中并沒有出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，僅僅是在物理性質(zhì)上的變化，因而超級電容器的穩(wěn)定性更加可靠。

圖1 超級電容的結(jié)構(gòu)原理

1.2 超級電容器的應(yīng)用

目前，超級電容器憑借強(qiáng)大的儲存容量及存儲性能，在許多大中小型設(shè)備中得到了普遍運(yùn)用，且涉及到的行業(yè)較為廣泛。具體運(yùn)用在：真空開關(guān)、儀器儀表、數(shù)碼相機(jī)等微小電流供電的后備電源;太陽能產(chǎn)品以及小型充電產(chǎn)品的充電電池。由于超級電容器的功能優(yōu)勢顯著，在使用時可適當(dāng)添加輔助元件以優(yōu)化電容器結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了超級電容器的結(jié)構(gòu)性能。

2 超級電容器的主要功能

與普通電容器相比，超級電容器在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)調(diào)整，且在原理上得到了優(yōu)化。但在使用期間超級電容器與常規(guī)電容器的功能相近。新型電容裝置的功能集中表現(xiàn)在：旁路、去耦、儲能等方面，這些對于電路運(yùn)行或存儲電荷都有著明顯的調(diào)控作用。具體功能如下：

(1)旁路。超級電容器中的旁路電容可以定期儲存電能，但其它元器件在運(yùn)行中需要能量時，則能及時釋放出電荷維持使用。旁路電容器的最大功能表現(xiàn)于穩(wěn)壓器電荷輸出的均衡，避免了電荷傳輸混亂而引起電路故障，裝置充電、放電的靈活性較強(qiáng)，如圖2.

圖2 旁路電容原理

(2)去耦。去耦主要是針對電路內(nèi)產(chǎn)生的“耦合”現(xiàn)象而言，耦合是由于電路中電流、電阻失去均衡而引起的一種“噪聲”，不利于電路內(nèi)部載荷的均衡布置。

超級電容器使用之后，能有效地消除耦合現(xiàn)象，讓電路中的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)維持在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

(3)儲能。無論是普通的電容器或者超級電容器，儲存電荷或電能都是極為關(guān)鍵的性能。超級電容器的電荷儲存容量更大，能滿足更多電子元件的使用需求。

超級電容器把存儲的能量利用變換器引線傳送至電源的輸出端之后，經(jīng)過優(yōu)化處理能進(jìn)一步強(qiáng)化電容的存儲性能。

3 新型電容器的不同分類

由于超級電容器是一類新型產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)、材料、性能等方面都進(jìn)行了不同的更新調(diào)整。根據(jù)不同的內(nèi)容，對超級電容器進(jìn)行分類的方法是各不相同的。當(dāng)前，對于超級電容器的分類一般參照電容器的原理、電解質(zhì)等兩大要素劃分，每一類超級電容器又可分成不同的類別。

(1)根據(jù)原理分類。根據(jù)不同的作用原理，超級電容器主要劃分成雙電層型超級電容器、贗電容型超級電容器等兩大類。雙電層型超級電容器，在制造材料上進(jìn)行了更新處理，如：活性碳電極材料，結(jié)合高比表面積的活性碳材料加工后制成電極;碳?xì)饽z電極材料，結(jié)合前驅(qū)材料制備凝膠，再進(jìn)行碳化活化處理作為電極。贗電容型超級電容器，一般采用了金屬氧化物電極材料、聚合物電極材料。前者有：NiOx、MnO2、V2O5等用于正極材料，活性碳等用于負(fù)極材料，后者有：PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極。

(2)根據(jù)電解質(zhì)分類。電解質(zhì)是溶于水溶液之后具備導(dǎo)電性能的化合物。超級電容器里的電解質(zhì)包括：水性電解質(zhì)、有機(jī)電解質(zhì)等兩種。水性電解質(zhì)比較普遍的電解質(zhì)有酸性、堿性、中性之分，不同特性電解質(zhì)的組成也不相同。如：酸性電解質(zhì)由36%的H2SO4水溶液構(gòu)成，堿性電解質(zhì)由KOH、NaOH 等強(qiáng)堿構(gòu)成等。有機(jī)電解質(zhì)一般選擇LiClO4為主的鋰鹽、teABF4為主的季胺鹽等當(dāng)成電解質(zhì)，有時可根據(jù)使用需要添加相應(yīng)的溶劑，如：PC、ACN、GBL、THL等，這些對于超級電容器的性能都有明顯的改善。

根據(jù)電解質(zhì)對超級電容器分類方法中，還可以結(jié)合電解質(zhì)的具體狀態(tài)詳細(xì)分類。如：按照電解質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)形式又可分為固體電解質(zhì)超級電容器、液體電解質(zhì)超級電容器。

4 超級電容器使用的優(yōu)缺點(diǎn)

超級電容器在使用過程中并非每一個方面都是優(yōu)越的，這就要求在運(yùn)用超級電容器時能熟練掌握該裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。受到制造技術(shù)的限制，我國在使用超級電容器時還存在安裝、調(diào)試等方面的不足。不少設(shè)備因盲目使用超級電容器造成電路故障，影響了整個設(shè)備性能的發(fā)揮。作為電容器的新產(chǎn)品，超級電容器呈現(xiàn)出來的優(yōu)點(diǎn)要顯著大于缺點(diǎn)。

(1)優(yōu)點(diǎn)。超級電容器是普通電容裝置的升級，在對早期的電容器實(shí)施了多個方面的改良。主要優(yōu)點(diǎn)在：①電容量。早期使用的常規(guī)電容器，電容存儲量較小，僅能滿足小負(fù)荷的電路需求;而超級電容器的電容量級別可達(dá)到法拉級，能適合更復(fù)雜的電路運(yùn)行需要。②電路。超級電容器對電路結(jié)構(gòu)的要求較低，不需要設(shè)置特殊的充電電路、控制放電電路，且電容器的使用時間不會受到過充、過放的影響。③焊接。普通電容器無法進(jìn)行焊接，在安裝超級電容器時可根據(jù)需要進(jìn)行焊接處理，防止了電池接觸不良等現(xiàn)象的發(fā)生，提高了電容器元件的使用性能。

(2)缺點(diǎn)。通過對超級電容器的性能測試，筆者發(fā)現(xiàn)這種新型電容器也存在缺點(diǎn)。如：①泄漏。超級電容器安裝位置不合理，容易引起電解質(zhì)泄漏等問題，破壞了電容器的結(jié)構(gòu)性能。②電路。超級電容器僅限于直流電路的使用，這是由于與鋁電解電容器相比，超級電容器的內(nèi)阻更大，不適合交流電路的運(yùn)行要求。③價格。由于超級電容器是新一代高科技產(chǎn)品，其剛剛推向市場時價格相對較高，增加了設(shè)備運(yùn)行的成本投入。

5 結(jié) 論

總之，長期以來國內(nèi)采用的均是常規(guī)的電容器，其由兩片接近并相互絕緣的導(dǎo)體構(gòu)成電極之后，用于儲存電荷、電能的電子元件。超級電容器即“雙電層電容器”，目前是儲存電能的新器件。從物理角度看，超級電容器具備了充電耗時短、運(yùn)行時間長、溫控效果好、環(huán)保性能強(qiáng)等特點(diǎn)。