六、超級電容電池的兩個電容形式

實踐過程中，人們?yōu)榱诉_到提高電容器的性能，降低成本的目的，經(jīng)常將贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合使用，制成所謂的混合電化學(xué)電容器。混合電化學(xué)電容器可分為兩類，一類是電容器的一個電極采用贗電容電極材料，另一個電極采用雙電層電容電極材料，制成不對稱電容器，這樣可以拓寬電容器的使用電壓范圍，提高能量密度；另一類是贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合組成復(fù)合電極，制備對稱電容器。

1、法拉第贗電容器

法拉第贗電容器也叫法拉第準電容，是在電極表面活體相中的二維或三維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。這種電極系統(tǒng)的電壓隨電荷轉(zhuǎn)移的量呈線性變化，表現(xiàn)出電容特征，故稱為“準電容”，是作為雙電層型電容器的一種補充形式。

法拉第準電容的充放電機理為：電解液中的離子（一般為H+或OH-）在外加電場的作用下向溶液中擴散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學(xué)反應(yīng)進入到電極表面活性氧化物的體相中；若電極材料是具有較大比表面積的氧化物，就會有相當多的這樣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，大量的電荷就被存儲在電極中。放電時這些進入氧化物中的離子又會重新回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路釋放出來。

2、雙電層電容器

一對浸在電解質(zhì)溶液中的固體電極在外加電場的作用下，在電極表面與電解質(zhì)接觸的界面電荷會重新分布、排列。作為補償，帶正電的正電極吸引電解液中的負離子，負極吸引電解液中的正離子，從而在電極表面形成緊密的雙電層，由此產(chǎn)塵的電容稱為雙電層電容。雙電層是由相距為原子尺寸的微小距離的兩個相反電荷層構(gòu)成，這兩個相對的電荷層就像平板電容器的兩個平板一樣。Helmholtz首次提出此模型。

能量是以電荷的形式存儲在電極材料的界面。充電時，電子通過外加電源從正極流向負極，同時，正負離子從溶液體相中分離并分別移動到電極表面，形成雙電層；充電結(jié)束后，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。在放電時，電子通過負載從負極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負離子從電極表面被釋放進入溶液體相呈電中性。

七、超級電容電池的泄露電流現(xiàn)象

當超級電容充電時，泄漏電流會隨著時間而衰減，因為碳電極中的離子會擴散進入孔隙中。泄漏電流會穩(wěn)定在一個均衡值，該值取決于電容、電壓和時間。泄漏電流與電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗估計算法為室溫下1μA/F。圖6中的150mF電容，在160小時后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。泄漏電流隨溫度升高而呈指數(shù)上升。

當溫度升高時，穩(wěn)定到均衡值的時間會減小，因為離子擴散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時間最小。根據(jù)不同的超級電容，這個電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計者在為能量采集電路挑選超級電容時，應(yīng)考慮測試這個最小充電電流。

八、超級電容電池的充電

一個放電的超級電容就像一個與能量源短接的電路。所幸，很多能量采集源（如太陽能電池和微發(fā)電機）都可以驅(qū)動一個短接的電路，從0V起為一只超級電容直接充電。與各種能量源（如壓電或熱電能）接口的IC必須能夠驅(qū)動一個短接的電路，從而為超級電容充電。

業(yè)界在MPPT（最大峰值功率追蹤）方面做了很大努力，以從能量采集源最有效地獲得功率。當必須用恒壓方式為電池充電時，這種方案是可行的。電池充電器通常是一個dc/dc轉(zhuǎn)換器，它對能量源是一個恒定功率的負載，因此，采用MPPT在最高效點獲得能量就是有意義的。

與電池相反，超級電容不需要以恒壓充電，而以電源可以提供的最大電流充電時效率最高。一個簡單而有效的充電電路，用于太陽能電池陣列的開路電壓小于超級電容額定電壓的情況。二極管可防止超級電容在太陽能電池?zé)o光照情況下對其反充電。如果能源的開路電壓大于超級電容的電壓，則超級電容需要采用分流穩(wěn)壓器做過壓保護。分流穩(wěn)壓器是過壓保護一種廉價而簡單的方案，一旦超級電容充滿電，就無所謂是否消耗了過多的能量。

能量采集器就像一根能無限供水的水管，為一個水槽注水（好比一只超級電容）。如果水槽滿了，水管仍開著，水就會溢出。這與電池不同，電池供給能量有限，因此需要串聯(lián)穩(wěn)壓器。

在電路里，超級電容為0V，從一塊太陽能電池芯獲取短路電流。隨著超級電容的充電，電流下降，這取決于太陽電池芯的電壓/電流特性。但超級電容總是要獲取可能的最大電流，因此它以盡可能大的速率充電。中的電路采用了TLV3011太陽能電池芯，因為它內(nèi)含了一個電壓基準，只需要約3μA的靜態(tài)電流，并且它是一種漏極開路電池芯，當穩(wěn)壓器關(guān)斷時，輸出就是開路的。電路采用了BAT54二極管，因為它在小電流時有低的正向壓降，即在正向電流小于10μA時，正向電壓小于0.1V。

微發(fā)電機很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，如監(jiān)控旋轉(zhuǎn)的機器，因為機器在工作時會發(fā)生振動。給出了一只微發(fā)電機的電壓-電流特性，它類似于一只太陽能電池芯，能夠為一個短接電路提供最大的電流。微發(fā)電機還帶有一個二極管橋，可防止超級電容為發(fā)電機反向充電，這就得到了一個簡單的充電電路。

當超級電容充電時，泄漏電流會隨著時間而衰減，因為碳電極中的離子會擴散進入孔隙中。泄漏電流會穩(wěn)定在一個均衡值，該值取決于電容、電壓和時間。泄漏電流與電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗估計算法為室溫下1μA/F。中的150mF電容，在160小時后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。

泄漏電流隨溫度升高而呈指數(shù)上升。當溫度升高時，穩(wěn)定到均衡值的時間會減小，因為離子擴散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時間最小。根據(jù)不同的超級電容，這個電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計者在為能量采集電路挑選超級電容時，應(yīng)考慮測試這個最小充電電流。

九、超級電容電池帶動風(fēng)力發(fā)電革命

作為新興儲能元件，超級電容具有循環(huán)壽命長，充放時間快等特點，在風(fēng)力發(fā)電機狹小的密閉有限空間輪轂控制柜內(nèi)，超級電容更具有適應(yīng)溫度范圍廣，體積小容量大，可焊接，維護簡單等優(yōu)點，在風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)中，超級電容不會過充，過放影響壽命，充放電過程僅僅是物理層面上的變化，不會對常年密閉空間作業(yè)的輪轂內(nèi)部造成二次污染，超級電容以保持穩(wěn)定的直流電壓，保證變槳伺服電機的正常運作。

超級電容的基本工作原理是碳碳雙電層原理，存儲過程可逆，分析時采用RC模型，包括理想電容C等效串聯(lián)內(nèi)阻RESP，等效并聯(lián)內(nèi)阻REPR，RESP影響超級電容充放電效率，REPR影響電容自放電，即長期靜止存儲。存電荷不一樣的是，雙電層電容器是在電極-電解質(zhì)表面以靜電形式的電荷進行儲能。這種儲能模式具有快速充電/放電能力、高可靠性和長循環(huán)壽命的特點，相對于鉛酸蓄電池，對于緊急變槳供電對多變的風(fēng)況的情況下更具有優(yōu)勢。

更換了一部分超級電容以后針對于風(fēng)能隨機性強力，環(huán)境惡劣，溫度濕度變化大，鹽霧污穢侵蝕嚴重等因素對供電模塊影響。可以得出超級電容相比鉛酸蓄電池更加穩(wěn)定，實用性和可行性更強可以預(yù)見超級電容的應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來越成熟的發(fā)展中所占的比例將逐漸上升。所以超級電容做為風(fēng)力發(fā)電機后備電源具有很強的可行性。

十、超級電容電池變革新能源汽車

超級電容在新能源汽車中主要有三類應(yīng)用：一是作為動力設(shè)備，如上海11路公交即為超級電容大巴，車輛運行中途充電只需30秒，一次充電可行駛5~8公里，既節(jié)能環(huán)保又兼顧城市景觀；二是作為發(fā)動機的輔助驅(qū)動，在汽車快速啟動時提供較大的驅(qū)動電流，減少了油耗和不完全燃燒的污染排放；三是對制動能量進行回收利用，當汽車需要加速時，再將這些儲存的能量釋放出來，提高了能源的使用效率。

總結(jié)：電池是動力的源頭，而電容作為存儲電量的基本，其重要性當然是非常重要的，如果電容和電池的特點能夠結(jié)合，那么肯定是非常具有誘惑力的，這就是超級電容電池的最大潛力，所以說，如果這種電池能夠得到普及的話，那必將會帶來一個革命。