為什么被稱為超級(jí)電容？超級(jí)電容怎么用？

說起電容的作用，很多電子人脫口而出：濾波。沒錯(cuò)，這是大部分電容在電路中的作用，但有一種電容生而不是為了濾波，那就是超級(jí)電容。本期貿(mào)澤科普實(shí)驗(yàn)室，momo就為大家說一說超級(jí)電容——

正如視頻所講到的，超級(jí)電容，在本質(zhì)上，無(wú)疑是電容家族的一員，但其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了它超乎尋常的能力——即能夠存儲(chǔ)更為龐大的電荷量，從而開辟了更廣闊的應(yīng)用前景。接下來(lái)，讓我們“扒開”超級(jí)電容的“外衣”，從內(nèi)至外，好好的研究一番，為什么被稱為超級(jí)電容？超級(jí)電容怎么用？

01為什么被稱為超級(jí)電容？

一是超級(jí)電容容量超級(jí)大。電路板上，隨處可見的電容容量多是nf或者μf級(jí)別的，容量比較小。而超級(jí)電容的容量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電容，直接到法拉級(jí)，容量可達(dá)數(shù)萬(wàn)法。

二是超級(jí)電容個(gè)頭超級(jí)大。有多大呢，與普通電容對(duì)比一下就知道了。下圖中左手是超級(jí)電容，右手鑷子上的就是普通的多層陶瓷電容。

超級(jí)電容有這么大的容量，這是因?yàn)樗?dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

▲ 左側(cè)為普通電容，右側(cè)為超級(jí)電容

兩端電極使用了活性炭，其表面有細(xì)小的孔，因此電極表面積成倍擴(kuò)大。而表面積越大就越能更多的蓄電，因此超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)了非常高的靜電容量。

當(dāng)超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上施加外電壓時(shí)，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，電解液與電極間的界面處形成極性相反的電荷用以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這樣的正電荷與負(fù)電荷在活性炭和電解液的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層也叫做雙電層。當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)，如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。在超級(jí)電容器放電過程中，正、負(fù)極板上的電荷被外電路釋放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。

02超級(jí)電容適不適合濾波？

前面了解了超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)、工作原理，那么問題又來(lái)了，在開發(fā)板上我們?cè)趺礇]有見過使用超級(jí)電容來(lái)濾波呢？

回答這個(gè)問題前，先來(lái)簡(jiǎn)單的科普下電容的濾波原理，非常簡(jiǎn)單，當(dāng)輸入脈動(dòng)電壓高于電源兩端電壓時(shí)，電容開始充電；當(dāng)輸入脈動(dòng)電壓低于電容兩端電壓時(shí)，電容開始放電，補(bǔ)充了輸入脈動(dòng)電壓的下降，從而降低了脈動(dòng)電壓。這就是利用了電容可以充、放電的原理。

下圖是常見的橋式整流濾波電路：

通過修改濾波電容C1的容值，看看不同容值下的濾波效果：

很明顯，當(dāng)電容增大到一定容值之后，即使再用更大的電容，輸出的變化已經(jīng)非常小了。所以，超級(jí)電容的容值雖然很大，但是在很多電路中對(duì)濾波的作用不大。

不用超級(jí)電容濾波還有另外兩個(gè)原因：

1）尺寸受限，超級(jí)電容的大尺寸，決定現(xiàn)在很多對(duì)產(chǎn)品尺寸要求嚴(yán)格的場(chǎng)合不會(huì)用；

2）成本高，這是超級(jí)電容和普通電容的價(jià)格對(duì)比：

03超級(jí)電容的真正用武之地

超級(jí)電容容量大，存儲(chǔ)的電荷那么多，是不是可以當(dāng)作電池來(lái)用呢？

這就要了解超級(jí)電容的特性：

高能量釋放能力：超級(jí)電容器的容量很大，能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放大量能量，提供瞬時(shí)大電流；

快速充放電：超級(jí)電容能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成充放電過程，甚至可以在幾秒鐘內(nèi)充滿電；

長(zhǎng)循環(huán)壽命：超級(jí)電容器的充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)數(shù)百萬(wàn)次以上

環(huán)保與安全：超級(jí)電容器不含有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境友好，符合現(xiàn)代綠色環(huán)保理念。相比鋰離子電池等傳統(tǒng)電池，超級(jí)電容器在過充、過放、短路或高溫條件下的安全性更高，不易發(fā)生爆炸或起火。

寬工作溫度范圍：超級(jí)電容器的工作溫度范圍廣泛，可以在極端氣候條件下穩(wěn)定工作，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)換效率高：超級(jí)電容器在電能轉(zhuǎn)換過程中損失較小，能量轉(zhuǎn)換效率高。還可以串并聯(lián)組成超級(jí)電容組，以儲(chǔ)存更多電量，滿足更大規(guī)模的能源需求。

這里，我們把超級(jí)電容和電池做一下參數(shù)對(duì)比：

超級(jí)電容的這些特性和優(yōu)點(diǎn)，在某些特定的場(chǎng)合可以取代電池，比如：

電源備份：在系統(tǒng)供電電源斷開時(shí)，超級(jí)電容放電提出高輸出的備份電源，可以讓系統(tǒng)完成重要的數(shù)據(jù)保存、發(fā)出報(bào)警信號(hào)。1F—5F左右容量的單體超級(jí)電容就足夠了。

光伏發(fā)電儲(chǔ)能，太陽(yáng)能等新能源發(fā)電：受太陽(yáng)強(qiáng)度影響，發(fā)電不穩(wěn)定，可以先存在超級(jí)電容中，然后再輸出穩(wěn)定的電源。

新能源汽車的低壓系統(tǒng)主電源或高壓的輔助電源：通過串聯(lián)超級(jí)電容，提高工作耐壓，在12v和48v的電子系統(tǒng)中，超級(jí)電容大有可為。

總結(jié)就是超級(jí)電容適用于需要快速充放電、高功率需求但能量需求不高、長(zhǎng)壽命和高可靠性、備用電源和瞬時(shí)功率支持、需要低溫性能以及對(duì)環(huán)境影響較小的多種場(chǎng)合。

提醒大家，超級(jí)電容雖好，但使用要得當(dāng)，使用不當(dāng)就會(huì)引發(fā)電容爆炸事故。在使用時(shí)，需要注意：

超級(jí)電容的耐壓，尤其是在串聯(lián)使用時(shí)，需要控制好電壓平衡，

超級(jí)電容具有固定的極性，使用前務(wù)必檢查極性是否正確；

在焊接超級(jí)電容時(shí)，需要控制好溫度和時(shí)間，以免過熱降低使用壽命；

安裝時(shí)，禁止強(qiáng)制傾斜或扭動(dòng)，影響超級(jí)電容的性能。

關(guān)于超級(jí)電容的名字由來(lái)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵參數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)合，就介紹這么多。如果您對(duì)超級(jí)電容還有疑問，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。