電容電池結構原理

超級電容的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也稱作"電容電池"或說"黃金電池"。超級電容器電池也屬于雙電層電容器,它是目前世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種,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極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。

傳統(tǒng)物理電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離,兩塊極板之間為真空(相對介電常數(shù)為1)或一層介電物質(相對介電常數(shù)為ε)所隔離,電容值為:C = ε·A / 3.6 πd ·10-6 (μF) 其中A為極板面積,d為介質厚度。所儲存的能量為: E = C (ΔV)2/2，其中C為電容值,ΔV為極板間的電壓降.可見,若想獲得較大的電容量,儲存更多的能量,必須增大面積A或減少介質厚度d，但這個伸縮空間有限，導致它的儲電量和儲能量較小。

雙電層電容器中,采用活性炭材料制作成多孔電極,同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液,當在兩端施加電壓時,相對的多孔電極上分別聚集正負電子,而電解質溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上,從而形成兩個集電層,相當于兩個電容器串聯(lián),由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(即獲得了極小的介質厚度d),根據(jù)前面的計算公式可以看出,這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上, 從而使單位重量的電容量可達100F/g，并且電容的內阻還能保持在很低的水平，碳材料還具有成本低，技術成熟等優(yōu)點。從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能，且在實際使用時，可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)以提高輸出電壓或電流。

生產和生活最常見的鉛蓄電池，可將電能通過化學反應儲藏起來，到另一個場合或另一時段使用。鉛蓄電池雖然造價較低，但也有相應的弱點，諸如能量轉換效率較低、電池反復充放電易老化導致使用壽命短、比能量(Wh/kg)和比功率(W/kg)小使設備笨重、充電時間長等。我們在手機上使用的鋰離子電池，雖然也有許多優(yōu)點，但它價格昂貴且儲藏電能有限，不能在大功率場合下使用;所以正在開發(fā)研制的超級電容電池，相比較而言，就有著一般電池無可比擬的優(yōu)點，它的前景不可限量。

(1)充電速度快，只要充電幾十秒到幾分鐘就可達到其額定容量的95%以上;而現(xiàn)在使用面積最大的鉛酸電池充電通常需要幾個小時。

(2)循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達50萬次，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年如果相應地和鉛酸電池比較, 它的使用壽命可達68年, 且沒有"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300Wh/kg~5000Wh/kg，相當于普通電池的數(shù)十倍;能量比大大提高，鉛酸電池一般只能達到0.02kWh/kg，而超級電容電池目前研發(fā)已可達10 kWh/kg。

(5)產品原材料構成、生產、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，使用環(huán)境溫度范圍寬達-40℃~+70℃。

(8)檢測方便，剩余電量可直接讀出。

(9)單體容量范圍通常0.1F--1000F 。

1、超級電容器具有固定的極性。在使用前，應確認極性。

2、超級電容器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，而且內阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導致電容器性能崩潰。

3、超級電容器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部發(fā)熱，容量衰減，內阻增加，在某些情況下會導致電容器性能崩潰。

4、安裝超級電容器后，不可強行傾斜或扭動電容器，這樣會導致電容器引線松動，導致性能劣化。

5、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。

6、將電容器串聯(lián)使用時:

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。

超級電容器是上世紀80年代后發(fā)展起來的新型儲能器件，在歐洲、美國、日本已經開始形成新興的產業(yè)。

從1990年開始，世界各國開始成立專門機構開發(fā)和生產超級電容器，目前，在該技術領域中處于領先地位的國家有俄羅斯、日本、德國和美國，這些發(fā)達國家已把超級電容器項目作為國家重點研究和開發(fā)項目，并提出了近期和中長期發(fā)展計劃。在超級電容器的實用性方面，俄羅斯走在世界的前列。

我國從九十年代開始研制超級雙電層電容器，與國外先進水平還有一定的差距。據(jù)有關資料表明，國內有些單位已經研制出比能量為10Wh/kg、比功率為600W/kg的高能量型及比能量為5Wh/kg、比功率為2500W/kg的高功率型超級電容器樣品，循環(huán)使用次數(shù)可達50,000次以上。性能指標已經達到國際先進水平，成本較國際平均價格有大幅度下降，初步具備應用水平。我們相信，在創(chuàng)新精神的鼓勵下，我國超級電容將很快趕上、超過世界先進水平。

超級電容的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也稱作"電容電池"或說"黃金電池"。超級電容器電池也屬于雙電層電容器,它是目前世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種,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極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量.

傳統(tǒng)物理電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離,兩塊極板之間為真空(相對介電常數(shù)為1)或一層介電物質(相對介電常數(shù)為ε)所隔離,電容值為:C = ε·A / 3.6 πd ·10-6 (μF) 其中A為極板面積,d為介質厚度。所儲存的能量為: E = C (ΔV)2/2，其中C為電容值,ΔV為極板間的電壓降.可見,若想獲得較大的電容量,儲存更多的能量,必須增大面積A或減少介質厚度d，但這個伸縮空間有限，導致它的儲電量和儲能量較小。超級電容采用活性炭材料制作成多孔電極,同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液,當在兩端施加電壓時,相對的多孔電極上分別聚集正負電子,而電解質溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上,從而形成兩個集電層,相當于兩個電容器串聯(lián),由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(即獲得了極小的介質厚度d),根據(jù)前面的計算公式可以看出,這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上, 從而使單位重量的電容量可達100F/g，并且電容的內阻還能保持在很低的水平，碳材料還具有成本低，技術成熟等優(yōu)點。從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能，且在實際使用時，可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)以提高輸出電壓或電流。

1、超級電容器具有固定的極性。在使用前，應確認極性。

2、超級電容器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，而且內阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導致電容器性能崩潰。

3、超級電容器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部發(fā)熱，容量衰減，內阻增加，在某些情況下會導致電容器性能崩潰。

4、安裝超級電容器后，不可強行傾斜或扭動電容器，這樣會導致電容器引線松動，導致性能劣化。

5、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。

6、將電容器串聯(lián)使用時:

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。

另外，超級電容器在變配電站直流系統(tǒng)中、稅控機、稅控收款機上、搖晃式手電筒上(免換電池，只要搖晃30秒鐘，即可發(fā)光5分鐘;照射距離1公尺)、智能表類(如智能水表和煤氣表)上、計算機UPS電源方面亦多有應用。

(1)充電速度快，只要充電幾十秒到幾分鐘就可達到其額定容量的95%以上;而現(xiàn)在使用面積最大的鉛酸電池充電通常需要幾個小時。

(2)循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達50萬次，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。如果相應地和鉛酸電池比較, 它的使用壽命可達68年, 且沒有"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，相當于普通電池的數(shù)十倍;比能量大大提高，鉛酸電池一般只能達到200W/kg，而超級電容電池目前研發(fā)已可達10 KW/kg，

(5)產品原材料構成、生產、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，使用環(huán)境溫度范圍寬達-40℃~+70℃;

(8)檢測方便，剩余電量可直接讀出;

(9)單體容量范圍通常0.1F--3400F 。