六、超級(jí)電容電池的兩個(gè)電容形式

實(shí)踐過(guò)程中，人們?yōu)榱诉_(dá)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(gè)電極采用贗電容電極材料，另一個(gè)電極采用雙電層電容電極材料，制成不對(duì)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(duì)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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)電容”，是作為雙電層型電容器的一種補(bǔ)充形式。

法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理為：電解液中的離子（一般為H+或OH-）在外加電場(chǎng)的作用下向溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面，而后通過(guò)界面的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(huì)有相當(dāng)多的這樣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，大量的電荷就被存儲(chǔ)在電極中。放電時(shí)這些進(jìn)入氧化物中的離子又會(huì)重新回到電解液中，同時(shí)所存儲(chǔ)的電荷通過(guò)外電路釋放出來(lái)。

2、雙電層電容器

一對(duì)浸在電解質(zhì)溶液中的固體電極在外加電場(chǎng)的作用下，在電極表面與電解質(zhì)接觸的界面電荷會(huì)重新分布、排列。作為補(bǔ)償，帶正電的正電極吸引電解液中的負(fù)離子，負(fù)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(gè)相反電荷層構(gòu)成，這兩個(gè)相對(duì)的電荷層就像平板電容器的兩個(gè)平板一樣。Helmholtz首次提出此模型。

能量是以電荷的形式存儲(chǔ)在電極材料的界面。充電時(shí)，電子通過(guò)外加電源從正極流向負(fù)極，同時(shí)，正負(fù)離子從溶液體相中分離并分別移動(dòng)到電極表面，形成雙電層；充電結(jié)束后，電極上的正負(fù)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(fù)極間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。在放電時(shí)，電子通過(guò)負(fù)載從負(fù)極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負(fù)離子從電極表面被釋放進(jìn)入溶液體相呈電中性。

七、超級(jí)電容電池的泄露電流現(xiàn)象

當(dāng)超級(jí)電容充電時(shí)，泄漏電流會(huì)隨著時(shí)間而衰減，因?yàn)樘茧姌O中的離子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入孔隙中。泄漏電流會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)均衡值，該值取決于電容、電壓和時(shí)間。泄漏電流與電容芯成正比。超級(jí)電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)算法為室溫下1μA/F。圖6中的150mF電容，在160小時(shí)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(dāng)溫度升高時(shí)，穩(wěn)定到均衡值的時(shí)間會(huì)減小，因?yàn)殡x子擴(kuò)散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時(shí)間最小。根據(jù)不同的超級(jí)電容，這個(gè)電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計(jì)者在為能量采集電路挑選超級(jí)電容時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)試這個(gè)最小充電電流。

八、超級(jí)電容電池的充電

一個(gè)放電的超級(jí)電容就像一個(gè)與能量源短接的電路。所幸，很多能量采集源（如太陽(yáng)能電池和微發(fā)電機(jī)）都可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)短接的電路，從0V起為一只超級(jí)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(dòng)一個(gè)短接的電路，從而為超級(jí)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(dāng)必須用恒壓方式為電池充電時(shí)，這種方案是可行的。電池充電器通常是一個(gè)dc/dc轉(zhuǎn)換器，它對(duì)能量源是一個(gè)恒定功率的負(fù)載，因此，采用MPPT在最高效點(diǎn)獲得能量就是有意義的。

與電池相反，超級(jí)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(shí)效率最高。一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的充電電路，用于太陽(yáng)能電池陣列的開(kāi)路電壓小于超級(jí)電容額定電壓的情況。二極管可防止超級(jí)電容在太陽(yáng)能電池?zé)o光照情況下對(duì)其反充電。如果能源的開(kāi)路電壓大于超級(jí)電容的電壓，則超級(jí)電容需要采用分流穩(wěn)壓器做過(guò)壓保護(hù)。分流穩(wěn)壓器是過(guò)壓保護(hù)一種廉價(jià)而簡(jiǎn)單的方案，一旦超級(jí)電容充滿電，就無(wú)所謂是否消耗了過(guò)多的能量。

能量采集器就像一根能無(wú)限供水的水管，為一個(gè)水槽注水（好比一只超級(jí)電容）。如果水槽滿了，水管仍開(kāi)著，水就會(huì)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(jí)電容為0V，從一塊太陽(yáng)能電池芯獲取短路電流。隨著超級(jí)電容的充電，電流下降，這取決于太陽(yáng)電池芯的電壓/電流特性。但超級(jí)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(yáng)能電池芯，因?yàn)樗鼉?nèi)含了一個(gè)電壓基準(zhǔn)，只需要約3μA的靜態(tài)電流，并且它是一種漏極開(kāi)路電池芯，當(dāng)穩(wěn)壓器關(guān)斷時(shí)，輸出就是開(kāi)路的。電路采用了BAT54二極管，因?yàn)樗谛‰娏鲿r(shí)有低的正向壓降，即在正向電流小于10μA時(shí)，正向電壓小于0.1V。

微發(fā)電機(jī)很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，如監(jiān)控旋轉(zhuǎn)的機(jī)器，因?yàn)闄C(jī)器在工作時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)。給出了一只微發(fā)電機(jī)的電壓-電流特性，它類似于一只太陽(yáng)能電池芯，能夠?yàn)橐粋€(gè)短接電路提供最大的電流。微發(fā)電機(jī)還帶有一個(gè)二極管橋，可防止超級(jí)電容為發(fā)電機(jī)反向充電，這就得到了一個(gè)簡(jiǎn)單的充電電路。

當(dāng)超級(jí)電容充電時(shí)，泄漏電流會(huì)隨著時(shí)間而衰減，因?yàn)樘茧姌O中的離子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入孔隙中。泄漏電流會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)均衡值，該值取決于電容、電壓和時(shí)間。泄漏電流與電容芯成正比。超級(jí)電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)算法為室溫下1μA/F。中的150mF電容，在160小時(shí)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(dāng)溫度升高時(shí)，穩(wěn)定到均衡值的時(shí)間會(huì)減小，因?yàn)殡x子擴(kuò)散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時(shí)間最小。根據(jù)不同的超級(jí)電容，這個(gè)電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計(jì)者在為能量采集電路挑選超級(jí)電容時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)試這個(gè)最小充電電流。

九、超級(jí)電容電池帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電革命

作為新興儲(chǔ)能元件，超級(jí)電容具有循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放時(shí)間快等特點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)狹小的密閉有限空間輪轂控制柜內(nèi)，超級(jí)電容更具有適應(yīng)溫度范圍廣，體積小容量大，可焊接，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)中，超級(jí)電容不會(huì)過(guò)充，過(guò)放影響壽命，充放電過(guò)程僅僅是物理層面上的變化，不會(huì)對(duì)常年密閉空間作業(yè)的輪轂內(nèi)部造成二次污染，超級(jí)電容以保持穩(wěn)定的直流電壓，保證變槳伺服電機(jī)的正常運(yùn)作。

超級(jí)電容的基本工作原理是碳碳雙電層原理，存儲(chǔ)過(guò)程可逆，分析時(shí)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(jí)電容充放電效率，REPR影響電容自放電，即長(zhǎng)期靜止存儲(chǔ)。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(jìn)行儲(chǔ)能。這種儲(chǔ)能模式具有快速充電/放電能力、高可靠性和長(zhǎng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)，相對(duì)于鉛酸蓄電池，對(duì)于緊急變槳供電對(duì)多變的風(fēng)況的情況下更具有優(yōu)勢(shì)。

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

十、超級(jí)電容電池變革新能源汽車

超級(jí)電容在新能源汽車中主要有三類應(yīng)用：一是作為動(dòng)力設(shè)備，如上海11路公交即為超級(jí)電容大巴，車輛運(yùn)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(dòng)機(jī)的輔助驅(qū)動(dòng)，在汽車快速啟動(dòng)時(shí)提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，減少了油耗和不完全燃燒的污染排放；三是對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，當(dāng)汽車需要加速時(shí)，再將這些儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，提高了能源的使用效率。

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