超级电容器
Ultracapacitors
超级电容器是一种电能存储装置，具有存储大量电荷的能力。
作为能量存储装置的超级电容器
Ultracapacitors As Energy Storage Devices
与以热量形式消耗能量的电阻不同，理想的超级电容器不会损失其存储的能量。我们也知道，电容器的最简单形式是两块平行的导电金属板，它们由如空气、云母、纸、陶瓷等绝缘材料（称为介电质）隔开一段距离 d。
电容器通过存储电荷来储能，所存储的电荷量取决于施加在其板间的电压 V，电压越大，电容器存储的电荷越多：
电容器有一个与之相关的比例常数，称为电容，符号为 C，它表示电容器存储电荷的能力；电荷量与电容值之间的关系为：
由此可见，电荷 Q、电压 V 与电容 C 之间存在如下关系：在相同的电压下，电容越大，电容器所存储的电荷也越多。我们可以将这一关系定义为：
电容器上的电荷
Electric Charge on a Capacitor
其中：
Q\ (\text{电荷，单位：库仑}) = C\ (\text{电容，单位：法拉}) \times V\ (\text{电压，单位：伏特})
电容的单位是库仑/伏特，也称为法拉（F）（以 M. Faraday 命名）。一法拉定义为：在电容器两极间建立 1 伏的电势差所需的电荷量为 1 库仑。
但对于大多数实际电子应用，常规的 1 法拉电容器体积过大，因此通常使用更小的单位：微法拉（ \mu F）、纳法拉（nF）和皮法拉（pF），其换算关系为：
微法拉（ \mu\text{F}）：
1\,\mu\text{F} = \frac{1}{1\,000\,000} = 0.000001 = 10^{-6}\,\text{F}纳法拉（nF）：
1\,\text{nF} = \frac{1}{1\,000\,000\,000} = 0.000000001 = 10^{-9}\,\text{F}皮法拉（pF）：
1\,\text{pF} = \frac{1}{1\,000\,000\,000\,000} = 0.000000000001 = 10^{-12}\,\text{F}
然而，还存在另一类电容器，称为超级电容器（Ultracapacitor 或 Supercapacitor），它们在极小体积内即可实现从几毫法拉（mF）到数十法拉的电容值，从而存储更多电能。
在我们关于电容和电荷的教程中，我们看到电容器中储存的能量由下式给出：
电容器中储存的能量由下式给出：
其中，
E 是储存在电场中的能量（单位：焦耳），
V 是极板之间的电势差（单位：伏特），
C 是电容器的电容（单位：法拉），其定义为：
其中，
\varepsilon 是极板间介质的介电常数，
A 是极板的面积，
d 是极板之间的距离。
什么是超级电容器？
What Is an Ultracapacitor?
超级电容器是另一种电容器，其结构具有较大的导电极板（称为电极）表面积 A，以及它们之间非常小的距离 d。与使用固体干式电介质（如特氟龙、聚乙烯、纸等）的传统电容器不同，超级电容器在其电极之间使用液体或湿式电解质，使其更类似于电解电容器的电化学装置。
尽管超级电容器属于一种电化学装置，但在其储存电能的过程中并不涉及化学反应。这意味着超级电容器在本质上仍是一个静电装置，其电能以电场的形式储存在其两导电电极之间。
超级电容器的结构
Ultracapacitor Construction
双面涂覆电极由石墨碳制成，形式为活性导电炭、碳纳米管或碳凝胶。称为隔膜的多孔纸膜将电极隔开，但允许正离子通过，同时阻挡较大的电子。纸隔膜和碳电极均被浸渍在液体电解质中，二者之间使用铝箔作为电流收集体，与超级电容器的焊接端片实现电连接。
碳电极与隔膜的双电层结构可能非常薄，但当卷绕在一起时，其有效表面积可达数千平方米。因此，为了提高超级电容器的电容值，显然需要在不增加电容器物理体积的前提下增大接触表面面积 A（单位： \mathrm{m}^2），或使用特殊电解质以增加可用正离子数量从而提高导电性。
由此，超级电容器凭借其极小的极板间距 d 和电极的大表面积 A 在表面形成电解质离子的双电层，电容值可高达数百法拉（F），成为卓越的能量存储装置。该结构相当于在每个碳电极处形成一个电容器，因此超级电容器又被称为“双电层电容器”，其实质是两只电容器串联而成。
然而，这种小尺寸的缺点在于其额定电压非常低，因为超级电容器单体的额定电压主要由电解质的分解电压决定。典型的电容器单体工作电压在 1 到 3,V 之间，具体取决于所用电解质，这限制了其可存储的电能量。
为了在合理电压下存储电荷，超级电容器必须串联连接。与电解电容和电静电电容不同，超级电容器的特点是其端电压很低。为了将其额定端电压提高到数十伏，需要将超级电容器单体串联，或并联以获得更高的总电容值，如下所示。
提高超级电容器的能量存储值
Increasing An Ultracapacitors Energy Storage Value
其中：
V_{\mathrm{CELL}}是单体电压， C_{\mathrm{CELL}}是单体电容。
由于每个电容单体电压约为 3.0\,\mathrm{V}，串联更多电容单体可提高总电压；并联更多电容单体可增加总电容。因此，我们可以将超级电容器组的总电压和总电容定义为：
电压：
电容：
其中， N 为串联的电容单体数， M 为并联的电容组数。 还请注意，与电池类似，超级电容器具有明确的极性，其正极端子在电容器本体上标注。
超级电容器示例 1：
需要一个 5.5 V、1.5 F 的超级电容器作为电子电路的能量备份装置。如果该超级电容器由单个 2.75 V、0.5 F 的电容单体组成，计算所需单体数量及阵列布局。
根据
又
因此，该阵列由两只 2.75 V 的电容单体串联以提供所需的 5.5 V；并联 6 列（每列为一组串联单体）以获得总电容 1.5 F。最终形成一个 6\times 2 的超级电容器阵列，如下所示：
6×2 Ultracapacitor Array
超级电容器的能量
Ultracapacitor Energy
与所有电容器一样，超级电容器是一种能量存储装置。电能以电荷的形式储存在两极板之间的电场中，正因这些储存的能量，极板之间存在电势差（即电压）。
在充电过程中（电流从电源流入超级电容器），电能被存储在极板之间； 当超级电容器充满电后，电流停止流入，其端电压便等于电源电压。因此，断开电源后，已充电的超级电容器仍会保持所储存的电能，直到需要释放为止。
在放电过程中（电流从超级电容器流出），它将储存的能量转换为电能以供给负载。超级电容器本身并不消耗能量，而是根据需要在充放电间储存与释放电能，其储存的能量量与电容器的电容值成正比。
如前所述，储存的能量与电容 C 及端电压 V 的平方成正比，其数学表达式为：
对于上述示例中 C=1.5\text{ F}、V=5.5\text{ V} 的超级电容器组，其储能计算为：
因此，该超级电容器最多可储存约 22.7 焦耳的能量，该能量最初由 5.5V 的充电电源提供。这部分能量以电荷形式保留在电解质介质中，连接负载时，可将全部 22.7 焦耳的能量以电流形式输出；当超级电容器完全放电时，其储能为零。
由此可见，理想的超级电容器不会消耗或耗散能量，而是从外部充电电路吸取功率，将能量储存在电解质电场中，并在需要时将其完整地释放给负载。
在上述简单示例中，储能约 23 焦耳；而随着电容值增大、额定电压提高，超级电容器的能量密度可显著提升，使其成为理想的能量存储装置。
事实上，额定电容数千法拉、额定电压数百伏的超级电容器，已被应用于混合动力汽车（包括一级方程式赛车）的再生制动系统，作为固态能量存储装置，因为它们能在制动与随后的加速过程中快速释放与吸收能量。此外，超级电容器也用于可再生能源系统，以替代铅酸电池。
附录
离子和电子
电子和离子的运动本质上是两种截然不同的“导电”方式，不是质量轻重的问题，而是材料与载流子性质决定了它们能否通过隔膜。
1. 运动机制对比
2. 材料结构与导电原理
隔膜（Separator）
由多孔的绝缘材料（例如聚丙烯、聚乙烯或特种纸）制成。
孔隙被电解液浸润，形成“液相”通路，供正、负离子在电场下迁移。
对于电子而言，这些孔隙并不提供金属或导电碳之间的连续接触，因此电子在隔膜中没有可行的能带或轨道可供移动，表现为电子导电率 \sigma_e\approx0。
电解液中的离子导电
离子在电场 E 下以速度 v = \mu_i E 迁移，其中 \mu_i 是离子的迁移率。
离子电流密度可表示为
J_i = z_i F C_i \, \mu_i \, E其中 z_i 是离子价数， F 是法拉第常数， C_i 是离子浓度。
电子在电解液中无法“自由漂移”
虽然电子质量极小，但在液相中，电子需要被溶剂化（形成“溶剂化电子”）或参与化学反应（例如在电极界面进行氧化还原）。
在隔膜内部，没有电极界面或导电网络来提供这种反应或能带，电子不能直接从一侧穿过到另一侧。
3. 对超级电容器的意义
强制电子通过外部回路 由于隔膜阻断电子直接通过，充放电时电子必须沿着外部电路流动，从而完成能量的“释放”和“回收”。
稳定形成双电层 离子可以自由穿过隔膜，在两电极表面聚集，形成电双层（double layer），储存静电能量。
单词表
声明
本文翻译自 electronics-tutorials
本文仅供学习，禁止用于任何的商业用途。