超级电容的结构和工作原理，关于超级电容的原理与应用以及未来的发展分析

很多朋友对超级电容的结构和工作原理，关于超级电容的原理与应用以及未来的发展分析不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

在电子元器件的分类中，超级电容位于电容器和电池之间。单个超级电容器可以存储比使用固体电介质的传统电容器多得多的能量。但其存储容量落后于电池。然而，当超级电容器能够储存足够的能量用于应用时，它们将发挥多种优势，包括能够瞬间开启和快速充电，并且不需要太复杂的充电电路。

对于电子设计工程师来说，超级电容器的其他重要特性包括高能量密度和长循环寿命。这些优势与电池相比是非常明显的。这些特性可以满足许多新应用的需求，这些新应用像移动电话一样具有不同的能量需求。在这些应用中，使用超级电容器可以延长电池寿命。在许多成熟的应用中，超级电容器甚至取代了传统的电容器和电池。超级电容器的基本知识

与使用固体电介质存储能量的传统电容器不同，超级电容器使用两个电层，通常被称为EDLC(电化学双层电容器)。在EDLC，利用物理机制产生具有介电功能的双电层。充放电过程由正负活性炭电极表面的离子吸附层完成。EDLC双层中电荷的静态分离距离很小，——在0.3到0.8纳米之间。图1显示了充电(左)和放电(右)期间的离子活性。

图1:双电层电容器通常将电荷储存在活性炭电极中(由松下提供)。EDLC利用薄膜活性碳中的离子迁移来储存电荷。向电容器的两个电极施加电压会导致电解质中的离子迁移，以试图逆转电极上的电荷(充电过程)。带正电荷的离子移动到负极，带负电荷的离子移动到正极，在电解液中形成两个电荷层：正极和负极。移除电压会导致离子向相反方向移动，形成放电过程。

超级电容器的电容值由其尺寸、几何形状和复合材料决定。铝电解质装置的电容范围在10-6和10-2 F(法拉)之间。松下的黄金超级电容器产品线提供了高达70F的电容值。消费产品中使用的可充电电池提供更高的电容——，这取决于电池的大小。

在与电池技术的竞争中，新材料为超级电容器提供了新的动力。研究人员制造了一种能量密度与镍氢电池相当的石墨烯器件——，在室温下可以达到85 WHr/kg。和其他所有超级电容器一样，它们的充电速度非常快，只有几秒钟或几分钟。

由导电聚合物构建的新设备可以增加电容，这源于称为伪电容的电荷存储原理，它是通过电极上的化学还原-氧化(氧化还原)反应产生的。通常，离子是O2。在充电过程中，一个电极经历还原反应，而另一个电极经历氧化反应。在放电过程中，这些反应发生逆转，离子在电解质之间以相反的方向移动。

(编者注：伪电容，或称法拉第准电容，是指电活性物质在体相的电极表面或二维或准二维空间中欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附、脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。赝电容不仅可以在电极表面产生，而且可以在整个电极中产生，因此可以获得比双电层电容更高的电容和能量密度。

在相同的电极面积下，伪电容可以是双电层的10 ~ 100倍。

目前，准电容器电极材料主要是一些金属氧化物和导电聚合物。目前金属氧化物电极电化学电容器所用电极材料的研究主要包括一些过渡金属氧化物，如A-MnO 2’NH20、A-V205 NH20、A-Ruo2 NH20、IrO2、Ni0、H3PM ol 2040’NH20、W 09、。

目前金属氧化物基电容器最成功的电极材料主要是氧化钌。由于贵金属资源有限，高昂的价格会限制其使用。金属氧化物电容的研究主要是为了降低材料成本，寻找更便宜的材料。)

双电层电容和赝电容共同决定超级电容器的电容值。根据具体的电极设计和电解质组成，它们的相对贡献变化很大。在某些情况下，由伪电容增加的电容值比双层电极本身的电容值高一个数量级。应用领域

在高端储能领域，超级电容器可以从多方面提高混合动力汽车的效率。简单来说，目前的混合动力汽车一般会在发动机停止时完全关闭发动机，然后通过高效利用超级电容器中储存的能量再次启动发动机。Maxwell Technologies提供一系列基于容量高达3000F的超级电容器的模块，已售出超过600，000个超级电容器用于混合动力汽车的启停应用。

麦克斯韦还设计了一种传统汽车的替代品，将一个超级电容器连接到一个较小的铅酸电池上。这种应用背后的概念是减少电池在电力需求峰值(如启动汽车)时可以产生的总能量。当放电量小且稳定时，电池可以持续更长时间。麦克斯韦的“混合型”超级铅酸电池中的超级电容，放松了对电池的能量要求。

其他组件供应商为不同市场提供超级电容器产品线，包括Nichicon、AVX、Murata、Cornell Dubilier和Vishay。根据市场研究机构Paumanok Publishing Company的报告，火车、飞机和汽车(以及卡车)约占全球4亿美元超级电容器市场的40%。运输应用包括磁悬浮列车、电力和制动恢复系统、卡车升降机和轨道转辙机。

设计工程师对超级电容器在消费电子、计算机和通信领域的应用更感兴趣。在这些产品中，超级电容器通常用于存储保护。另一个常见的应用是内部备用电源。超级电容器不仅可以用来代替电池，还可以作为短期冗余备用电源。

随着智能电表部署的稳步增加，越来越多的人开始关注电能和煤气表的备用电源，因为如果主电源出现故障，电表可能无法正常工作。充电电池是常规的设计选择，但是需要充电电路，增加了设计成本，而且这种故障的发生率比较低，不划算。

智能电表的备用电源有两个基本要求：(1)电源能瞬间接通；(2)可用于低温运行，因为电表一般安装在室外。超级电容器非常符合这两个要求，因为它们反应迅速，允许电表发送警报，并将状态和使用信息发送回网络。

集成备用超级电容器的设计工作比设计可充电电池要少，但同一充电控制器IC通常可以用于两种应用。虽然超级电容器的电源部分比可充电电池简单，但仍有一些设计陷阱要避免。例如，使用二极管来防止反向电流将通过二极管压降来提高超级电容器的充电阈值。用稳压器代替可以消除二极管压降问题，降低充电阈值。

当超级电容器耗尽时，这种策略也会产生问题，因为充电需要更长的时间。

电源管理IC供应商的数据手册和应用笔记可以提供电源设计的最佳实践。德州仪器的Bq24640和美心的MAX17710就是其中的两个。超级电容器的其他常见应用是保护CMOS逻辑电路和驱动电子玩具。安全报警系统、不间断电源(UPS)系统和太阳能发电。

直到最近，超级电容器市场的主要增长点是取代传统电容器。最近，这项技术似乎正准备进入智能手机和其他需要同时执行或多或少多种功能的设备的锂离子电池市场。这些设备有不同的能量需求。如果能量消耗快，锂电池所包含的总势能就会下降。换句话说，对电池的瞬时高功率需求意味着以这种方式获得的总能量将小于长时间获得的总能量。超级电容器没有这个限制。

超级电容器还可以用于太阳能电池阵列，也非常适合微能量收集应用。从它的定义可以知道，这样的应用不需要太多的储能。从附近的热、振动或生物源获得的毫瓦能量可以驱动传感器来监测和控制马达。比如旋转机械产生的振动能量，首先通过能量采集装置转化为电能，然后储存在超级电容中。

超级电容器的使用可以降低更换电池或将电源线连接到可充电电池的成本。图2示出了通用能量收集系统的框图。虽然理论上超级电容器可能是唯一的能源，但目前的实际设计通常使用电池来提供长期能量，而超级电容器则用于满足峰值功率要求。Cellergy和其他供应商为这些应用提供了理想的器件。

图2:微能量采集设计受益于集成超级电容。

上述MAX17710充电器IC可用于能量采集应用。它集成了一个输入升压稳压器，可以处理低至800毫伏的充电。MAX 17710可以收集1 MW到100 MW的能量。为了保护电池/超级电容器储能装置，它限制输入电源的电压，并调节或分流多余的功率。具有3.3V和1.8V电压选项的低压差线性稳压器(LDO)用于防止过充电。

欲了解更多关于能量收集技术和产品的信息，请访问http://www.mouser.com/applications/energy _收集/

结论不久前，超级电容器仅用于有限的应用，如存储保护和内部备用电池，但在过去几年中，其应用领域已显著扩展到混合动力汽车、智能手机和能量收获。一些新兴技术有望使超级电容器与可充电电池完全竞争。

以上知识分享希望能够帮助到大家！