超级电容器原理及电特性

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1、超级电容器原理及电特性Principle&ElectriccharacteristicsofUltracapacitor辽宁工学院陈永真孟丽囡宁武ChenYongzhenLiaoNingInstituteofTechnology　　摘要：叙述了超级电容器的基本结构和工作原理，比较全面地介绍了超级电容器的特点和在特定测试条件下的电特性，分析了如较大的ESR、发热等特殊电特性产生的原因，提出一些注意事项。　　关键词：超级电容器ESR放电电流　　Abstract:Basicstructure&principleofultra-capacitoraredescribedinthispaper.Th

2、echaracteristicsaboutultra-capacitorandelectriccharacteristicsinspecialmeasuringconditionsarealsointroducedindetail.Somereasonsofspecialelectriccharacteristicsareanalyzed,suchasbigESRandheat,atlastsomeattentionsarealsoputforward.Keywords:ultra-capacitorESRDischargingcurrent　　超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随

3、着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。1.级电容器的原理及结构　　1.1超级电容器结构　　图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylenecarbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetrylanmmoniumperchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定：　　　　　　　　　其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界面的表面

4、面积。图1　超级电容器结构框图　　由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。这种超级电容器有几点比电池好的特色。　　1.2工作原理　　　超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与

5、电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。　　2.3主

6、要特点　　由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点：图1　超级电容器结构框图　　①.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3??4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。　　②.充放电寿命很长，可达500000次，或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次，　　③.可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，

7、一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。　　④.可以数十秒到书分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。　　⑤.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40??+70℃）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。　　⑥.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军具有毒性。　　⑦.等效串联电阻ESR相对常规电容器大（10