超级电容器的结构

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。

超级电容器的结构．是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。

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。

　　超级电容的特性

超级电容器使用过程中是没有任何的化学反应，也没有高速旋转等机械运动；对于环境没有污染，也没有任何的噪声；它的结构简单、体积小，是非常理想的储能设备。超级电容产品具有如下技术特性：

（1）充电速度快。充满其额定容量的95%以上仅需10秒～10分钟；

（2）循环寿命长。深度充放电循环可达1～50万次，例如，北京合众汇能公司生产的HCC250F/2.7V的超级电容器和北京集星科技公司生产的系列电容的循环寿命均在50万次以上；

（3）能量转换效率高。大电流能量循环效率》90%；

（4）功率密度高。可达300W/kg—50000W/kg，为蓄电池的5～10倍；

（5）原材料生产、使用、存储及拆解过程均无污染，是理想的绿色环保电源；安全系数高，长期使用免维护；

（6）高充放电效率。由于内阻很小，所以充放电损耗也很小，具有很高的充放电效率，可达90%以上。

（7）温度范围宽。达-40～+70℃。超级电容器电极材料的反应速率受温度影响不大；

（8）检测控制方便。剩余电量可通过公式E=CV2/2直接算出，只需要检测端电压就可以确定所储存的能量，荷电状态（SOC）的计算简单准确，因此易于能量管理与控制。

　　超级电容器工作原理

超级电容器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。突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。

根据储能机理的不同可以分为以下两类：

1、双电层电容：是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

2、法拉第准电容：其理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子（如H+、OH-、K+或Li+）在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。

                     怎么正确使用超级电容

超级电容器具有非常广泛的用途。与燃料电池等高能量密度物质相结合，超级电容器提供快速的能量释放，满足高功率的需求，从而使燃料电池可以仅作为能量源的使用。目前，超级电容器的能量密度可高达20kW/kg，并已经开始抢占传统电容器和电池之间的市场。

在要求高可靠性而对能量要求不高的应用中，可以用超级电容器来取代传统电池，也可以将超级电容器和电池结合起来，应用在对能量有要求很高的场合，而可以采用体积更小、更经济的电池。

超级电容器的ESR值很低，从而可以输出更大的电流，也可以快速的吸收大电流。同化学充电原理相比，超级电容器的工作原理使这种产品性能更稳定，因此，超级电容器的使用寿命会更长。对于像电动工具、玩具这种需要快速充电的设备来说，超级电容器无疑是最理想的电源。

一些产品适合采用电池、超级电容器的混合系统，超级电容器的使用可以避免为了获得更多能量而使用大体积的电池。如消费电子产品中的数码相机就是例子，超级电容器的使用使数码相机可以采用更便宜的碱性电池而不是使用昂贵的Li离子电池。

超级电容器单元cell的额定电压范围为2.5～2.7V，因此，很多应用中需要使用多个超级电容器单元。当串联这些单元时，设计工程师需要考虑单元间的平衡和充电情况。

任何超级电容器都会在通电情况下，通过内部并联电阻放电，这个放电电流称为漏电流，它影响超级电容器单元的自放电。同某些二级电池技术相似，超级电容器的电压在串联使用时也需要平衡，因为超级电容存在漏电流，内部并联电阻的大小决定串联的超级电容器单元上的电压分配。当超级电容器的电压稳定后，各个单元上的电压将随着漏电流不同而发生变化，而不是随着容值不同而变化。漏电流越大，额定电压就越小，反之，漏电流小，额定电压就高。这是因为，漏电流会造成超级电容器单元的放电，使电压降低，而这个电压会随后影响和它串联在一起的其他单元的电压，这里假定这些串连的单元都使用同一个恒定电压供电。

为了补偿漏电流变化，常采用的方法就是在每一个单元旁边并联一个电阻，去控制整个单元的漏电流。这种方法有效地降低了各单元之间的相应并联电阻的变化。

另一个推荐使用的方法是主动单元平衡法activecell-balancing，使用这种方法，每一个单元都会被主动的监视，当有电压变化时，即进行互相的平衡。这种方法可以降低单元上的任何额外负载，使工作效率大大提高。

如果电压超过单元额定电压，将会缩短单元使用寿命。对于高可靠性超级电容器来说，如何维持电压在要求范围内是关键的一点，必须控制充电电压，以保证它不能超过每个单元额定电压。

1、超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。

2、超级电容器应在标称电压下使用：

当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。

3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。

4、超级电容器的寿命：

外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。

5、当超级电容器被用做后备电源时的电压降：

由于超级电容器具有内阻较大的特点，在放电的瞬间存在电压降，ΔV=IR。

6、使用中环境气体：

超级电容器不可处于相对湿度大于85%或含有有毒气体的场所，这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀，导致断路。

7、超级电容器的存放：

超级电容器不能置于高温、高湿的环境中，应在温度-30+50℃、相对湿度小于60%的环境下储存，避免温度骤升骤降，因为这样会导致产品损坏。

8、超级电容器在双面线路板上的使用：

当超级电容器用于双面电路板上，需要注意连接处不可经过电容器可触及的地方，由于超级电容器的安装方式，会导致短路现象。

9、当把电容器焊接在线路板上时，不可将电容器壳体接触到线路板上，不然焊接物会渗入至电容器穿线孔内，对电容器性能产生影响。

10、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。

11、在焊接过程中避免使电容器过热：

若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的使用寿命，例如：如果使用厚度为1.6mm的印刷线路板，焊接过程应为260℃，时间不超过5s。

12、焊接后的清洗：

在电容器经过焊接后，线路板及电容器需要经过清洗，因为某些杂质可能会导致电容器短路。

13、将电容器串联使用时：

当超级电容器进行串联使用时，存在单体间的电压均衡问题，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响，故在电容器进行串联使用时，需得到厂家的技术支持。