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檢測產(chǎn)品
0超級電容簡介
超級電容，又名電化學電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發(fā)展起來的通過*化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同于傳統(tǒng)的化學電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。
1超級電容結構
超級電容器結構上的具體細節(jié)依賴于對超級電容器的應用和使用。由于制造商或特定的應用需求，這些材料可能略有不同。所有超級電容器的共性是，他們都包含一個正*，一個負*，及這兩個電*之間的隔膜，電解液填補由這兩個電*和隔膜分離出來的兩個的孔隙。
超級電容器的結構如圖所示．是由高比表面積的多孔電*材料、集流體、多孔性電池隔膜及電解液組成。電*材料與集流體之間要緊密相連，以減小接觸電阻；隔膜應滿足具有盡可能高的離子電導和盡可能低的電子電導的條件，一般為纖維結構的電子絕緣材料，如聚丙烯膜。電解液的類型根據(jù)電*材料的性質進行選擇。
上圖中各部分為：（1）：聚四氟乙烯載體；（2）（4）：活性物質壓在泡沫鎳集電*上；（3）：聚丙烯電池隔膜。
超級電容器的部件從產(chǎn)品到產(chǎn)品可以有所不同。這是由超級電容器包裝的幾何結構決定的。對于棱形或正方形封裝產(chǎn)品部件的擺放，內(nèi)部結構是基于對內(nèi)部部件的設置，即內(nèi)部集電*是從每個電*的堆疊中擠出。這些集電*焊盤將被焊接到終端，從而擴展電容器外的電流路徑。
對于圓形或圓柱形封裝的產(chǎn)品，電*切割成卷軸方式配置。較后將電*箔焊接到終端，使外部的電容電流路徑擴展。
2超級電容分類及工作原理
其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電*和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。
突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量較大的一種。
根據(jù)儲能機理的不同可以分為以下兩類：
1、雙電層電容：是在電*/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產(chǎn)生的。對一個電*/溶液體系，會在電子導電的電*和離子導電的電解質溶液界面上形成雙電層。當在兩個電*上施加電場后，溶液中的陰、陽離子分別向正、負電*遷移，在電*表面形成雙電層；撤消電場后，電*上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負*間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。這時對某一電*而言，會在一定距離內(nèi)(分散層)產(chǎn)生與電*上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當將兩*與外電路連通時，電*上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。
2、法拉第準電容：其理論模型是由Conway*先提出，是在電*表面和近表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸脫附和氧化還原反應，產(chǎn)生與電*充電電位有關的電容。對于法拉第準電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液離子與電*活性物質發(fā)生的氧化還原反應。當電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場的作用下由溶液中擴散到電*/溶液界面時，會通過界面上的氧化還原反應而進入到電*表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲在電*中。放電時，這些進入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應的逆反應重新返回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準電容的充放電機理。[1]
3超級電容突出特點
（1）充電速度快，充電10秒～10分鐘可達到其額定容量的95%以上；
（2）循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達1~50萬次，沒有“記憶效應”；
（3）大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%；
（4）功率密度高，可達300W/KG~5000W/KG，相當于電池的5~10倍；
（5）產(chǎn)品原材料構成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；
（6）充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護；
（7）超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃；
（8）檢測方便，剩余電量可直接讀出；
（9）容量范圍通常0.1F--1000F 。
4超級電容單位介紹
法拉（farad），簡稱“法”，符號是F；
1法拉是電容存儲1庫侖電量時，兩*板間電勢差是1伏特1F=1C/1V；
1庫侖是1A電流在1s內(nèi)輸運的電量，即1C=1A·S；
1庫侖=1安培·秒；
1法拉=1安培·秒/伏特；
電瓶（蓄電池）12伏14安時的放電量=14*3600*1/12=4200 法拉(F)，（注：12伏14安時電瓶是由2v14安時6塊串聯(lián)來的，如果改成6快并聯(lián)，就等于2v84安時，轉換為1v就是168安時）。地球的電容值僅有1-2F左右。
5超級電容超級所在
超級電容器之所以稱之為“超級”的原因：
1、超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電*板，在*板上加電，正*板吸引電解質中的負離子，負*板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負*板附近，負離子在正*板附近。
2、超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。
3、傳統(tǒng)電容器的面積是導體的平板面積，為了獲得較大的容量，導體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結構來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩*板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。
4、超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結構允許其面積達到2000m2/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電*的電解質離子尺寸決定的。該距離（<10 Å）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。
5、龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。
6超級電容放電控制
控制超級電容器的放電：
超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數(shù)τ在1~2s，完全給阻-容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要5~10s（由于電*的特殊結構它們實際上得花上數(shù)個小時才能將殘留的電荷完全放干凈）。
放電的控制時間：
超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實際上決定于電容器單體大小，對于匹配負載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，較終導致斷路。
7超級電容使用注意
1、超級電容器具有固定的*性。使用前應確認*性。
2、應在標稱電壓下使用。 當電容器電壓超過標稱電壓時，將會導致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導致電容器性能崩潰。
3、不可應用于高頻率充放電的電路中。高頻率的快速充放電會導致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導致電容器性能崩潰。
4、外部環(huán)境溫度對使用壽命有著重要影響。電容器應盡量遠離熱源。
5、被用做后備電源時的電壓降。由于超級電容器具有內(nèi)阻較大的特點，在放電的瞬間存在電壓降ΔV=IR。
6、不可處于相對濕度大于85%或含有有毒氣體的場所。這些環(huán)境下會導致引線及電容器殼體腐蝕，導致斷路。
7、不能置于高溫、高濕的環(huán)境中。應在溫度-30+50℃、相對濕度小于60%的環(huán)境下儲存，避免溫度驟升驟降，否則會導致?lián)p壞。
8、用于雙面電路板上時連接處不可經(jīng)過電容器可觸及的地方。由于超級電容器的安裝方式，會導致短路現(xiàn)象。
9、當把電容器焊接在線路板上，不可將電容器殼體接觸到線路板上。否則焊接物會滲入至電容器穿線孔內(nèi)，對電容器性能產(chǎn)生影響。
10、安裝超級電容器后，不可強行傾斜或扭動電容器。否則會導致電容器引線松動，導致性能劣化。
11、在焊接過程中避免使電容器過熱。若在焊接中使電容器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，會降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板，焊接過程應為260℃，時間不超過5s。
12、在電容器經(jīng)過焊接后，線路板及電容器需要經(jīng)過清洗。因為某些雜質可能會導致電容器短路。
13、將電容器串聯(lián)使用。由于工藝原因，單*超級電容器的額定工作電壓一般在2.8V左右，所以大多情況下必須串聯(lián)使用，由于串聯(lián)回路每個單體容量很難保證100%相同，也很難保證每個單體漏電也相同，這樣就會導致串聯(lián)回路的每個單體充電電壓不同，可能會導致電容器過壓損壞，因此，超級電容器串聯(lián)必須附加均壓電路。當超級電容器進行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯(lián)會導致某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進行串聯(lián)使用時，需得到廠家的技術支持。
8超級電容選擇標準
對于超級電容的選擇，功率要求、放電時間及系統(tǒng)電壓變化起決定作用。超級電容器的輸出電壓降由兩部分組成，一部分是超級電容器釋放能量；另一部分是由于超級電容器內(nèi)阻引起。兩部分誰占主要取決于時間，在非?？斓拿}沖中，內(nèi)阻部分占主要的，相反在長時間放電中，容性部分占主要。
參數(shù)選擇
以下基本參數(shù)決定選擇的電容器的大?。?p>超級電容器模塊
1、 較高工作電壓；
2、 工作截止電壓；
3、 平均放電電流；
4、 放電時間多長。
超級電容器和電池的選擇方法
超級電容與電池比較有如下特性：
a.超低串聯(lián)等效電阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上）。
b. 超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。
c. 可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應。
d. 免維護，可密封。
e.溫度范圍寬-40℃～+70℃，一般電池是-20℃～60℃。
f.超級電容可以串并聯(lián)組成成超級電容模組，可耐壓儲存更高容量。
具體選擇方法：
1、超級電容器不同于電池，在某些應用領域，它可能優(yōu)于電池。有時將兩者結合起來，將電容器的功率特性和電池的高能量存儲結合起來，不失為一種更好的途徑。
2、超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學反應限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。
3、超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構成簡單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復雜的換算。
4、超級電容器與其體積相當?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰俊Ｔ谝恍┕β蕸Q定能量存儲器件尺寸的應用中，超級電容器是一種更好的途徑。
5、超級電容器可以反復傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。
6、超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。
7、超級電容器可以反復循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾百個循環(huán)。
9超級電容前景分析
10超級電容應用產(chǎn)品
11超級電容參考資料
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2.陳永真，李錦．電容器手冊：科學出版社，2008
3.陳雪丹, 陳碩翼, 喬志*,等. 超級電容器的應用[J]. 儲能科學與技術, 2016, 5(6):800-806.
4.胡斯登, 梁梓鵬, 范棟琦,等. 基于Z源變換器的電動汽車超級電容-電池混合儲能系統(tǒng)[J]. 電工技術學報, 2017, 32(8):247-255.
5.陳永真．電容器及其應用：科學出版社，2005
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