超级电容基本知识

超级电容器相关资料

1. 超级电容器的原理及结构 1.1 超级电容器结构

图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如碳酸类或乙腈类。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c 由下式确定：

其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s 是电极界面的表面面积。

由图1中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。这种超级电容器有几点比电池好的特色。 1.2 工作原理

超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V 以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 1.3 主要特点

由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点：

①.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F ，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3~4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F 以上。 ②.充放电寿命很长，可达500 000次，或50000小时，而蓄电池的充放电

寿命很难超过2000次， ③.可以提供很高的放电电流（如2700F 的超级电容器额定放电电流不低于950A ，放电峰值电流可达1680A ，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一

图1 超级电容器结构框图

图2 超级电容器结构框图

些高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。

④.可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。

⑤.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40~+70℃）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。

⑥.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军具有毒性。

⑦.等效串联电阻ESR相对常规电容器大。

⑧可以任意并联使用增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。并联时总容量增倍电压不变，串联时总容量减倍电压增倍。

2. 超级电容器特性

超级电容器的主要特性：

2.1 额定容量：

单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流充电到额定电压后保持2~3分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，即：

由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大，因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略，如2.7V/5 000F超级电容器的ESR为：0.4mΩ，在100A电流放电时的ESR电压降为40mV占额定电压的1.5%，950A电流放电时的ESR电压降为380mV占额定电压的14%，表明在此电流下放电容量减小88.5。

2.2 额定电压：

可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电压，通常为额定电压的105%~110%），实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压（约为额定电压的1.5~3倍左右，与普通电容器的额定电压/击穿电压比值差不多。

2.3 额定电流和脉冲峰值电流：

额定电流为5秒内放电到额定电压一半的电流。脉冲峰值电流亦即最大电流，指2秒内放电到额定电压一半的电流，理论上为额定电流的2.5倍。但实际受内阻等因素的影响，实际值远小于理论值。

2.4 最大存储能量：

在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位

2.5 能量密度：

最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l）

2.6 功率密度：

在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l表示。

2.7 等效串联电阻：

测试条件：规定的恒定电流和规定的频率（大容量的100Hz，小容量的KHz）下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温度上升而减小。

超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。

2.8工作与存储温度：

通常为-40℃~+60℃或70℃，存储温度还可以高一些。

2.9 漏电流：

一般为10μA/F。

2.10 寿命：

在25℃环境温度下的寿命通常在50 000小时，在60℃的环境温度下为2000小时，寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。

2.11 循环寿命：

20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇10秒为一个循环的条件下一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%~30%，ESR增大到额定值的

3~4倍。

2.12 发热：

超级电容器充、放电时，会发热，其发热量将随着电流的增加而增加。超级电容器发热的原因是电流流过超级电容器的等效串联电阻（ESR）产生的功率（能量）损耗转变为热能。由于超级电容器的（ESR）

较大，因此在同样充、放电电流条件下发热量比一般电容器大，使用时应注意。

3. 注意事项

超级电容器在串联应用时特别是较大电容量是应采用均压技术以保证每一个超级电容器单体端电压在额定电压内。

4. 国内外状况

超级电容器通常耐压为2.5~3V，也有耐压为1.6V的产品。主要有美国、德国、日本、韩国、俄罗斯和中国等国家生产。比较知名的公司有：Maxwell、Epcos、Nesscap、ELNA、NEC、Korchip、Panasonic

等。我国有锦州凯美、北京集星、合众汇能、上海奥威等企业，从容量上看有机系的国外达到2.7V/5 000F，

体积在逐年减小，120F/2.7V已做到直径22毫米高45毫米，3F/2.7V直径8毫米高20毫米。能量密

度和功率密度分别达到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循环寿命和寿命分别达到500 000

次和90 000小时。

5.应用领域：

超级电容器根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种类型，三者在容量上大致归类为5F以下、5～200F、200F以上。钮扣型产品具备小电流、长时间放电的特点，可用在小功率电

子产品及电动玩具产品中。而卷绕型和大型产品则多在需要大电流短时放电，有记忆存储功能的电子产

品中做后备电源，适用于带CPU的智能家电、工控和通信领域中的存储备份部件。

超级电容与电池的比较From：ELNA

许多年以来，可充电池都是作为数据暂存后备电源或者在许多的电子时钟设计的唯一解决办法。它们也作为当主电源断电或供应不足时的紧急或短时的第二电源。

在近几年里，由于电容技术的发展和前进，DLC已经成为一个和可充电池一样可供选择的可行解决方案。DLC的容量从0.047F到100F,电压可从2.5V到6.3V。并且有多种形状和规格，以迎合设计时的空间考虑。以下是DLC与可充电池之间的详细比较：

容量：

在某些特定的尺寸里，可充电池的能量储存还是比相同尺寸的DLC大许多倍。

重量：

自从可充电池用笨重的金属来封装后，它们一般都比DLC重得多。可充电池与DLC在外观上已经有明显的不同和尺寸增加。相同的尺寸下，电池的重量是DLC的两倍以上。

充电时间：

由于可充电池是靠化学反应来存储能量，所以它们再次充电一般都会耗时很长。而DLC是依靠电离子的运动来存储能量，它们只需30到60秒钟就可以充电到60％到80％的电量。

可充次数(周期)

可充电池大概有500到1000次的使用周期。在使用次数达到几百次之后，电池的容量便会开始减少，直到最后丢失它的大部分存储能量。而DLC能够反复充／放电超过10万次以上，而不会明显减少它的存储电量。

充电电流：

当一个充电电池用旧了之后，通常要用一些有电流限制的电路防止一些来自冲击的充电电流来破坏电池。而DLC没有对充电电流作出限制，当然，充电电压也不允许超过电容(DLC)本身的额定电压的两倍。(当一个DLC被充电后，它的两极甚至可以短路而不会发生危险)

DLC 一次性电池可充电池

锂电池镍镉电池锂离子电池

可充电性能不能能能

Charge Time Seconds Hours Hours

输出电压可变仅3伏仅1.2伏

放电特性电压逐渐变小在放电完毕以前电压变化平坦

海特超级电容器基本状况：

1.扣式电容

序

号型号单体外形

基本参数

标称容量标称内阻

尺寸

重量

直径总高引脚距

F Ωmm mm mm g±0.2

1 SC5R5152Z-V

621 0.15 135 6.8 4.9 4.6 0.5±0.1

2 SC5R5152Z-H 0.15 135 7.0 15.2 7.5 0.5±0.1

3 SC5R5222Z-V

920 0.22 85 9.4 4.5 9.4 0.80

4 SC5R5222Z-H 0.22 8

5 9.4 4.8 4.4 0.80

5 SC5R5332Z-V

927 0.33 85 9.4 5.2 9.4 1.1

6 SC5R5332Z-H 0.33 85 9.4 6.0 5.6 1.1

7 SC5R5472Z-V

1220 0.47 65 12.5 4.0 12.5 1.4

8 SC5R5472Z-H 0.47 65 12.5 4.8 4.4 2.3

9 SC5R5103Z-V

1920 1.00 25 18.8 4.3 18.8 3.4

10 SC5R5103Z-H 1.00 25 18.8 5.1 4.7 3.4

11 SC5R5103Z-C 1.00 25 20.7 7.5 5.5 8.5

12 SC5R5403Z-V 2430

4.00 16 24.6 18.3 24.7 7.0 13

SC5R5403Z-H

4.00

16

24.6

6.1

6.5

7.0

2.圆柱电容

序号

型号

基本参数

标称容量

标称内阻

尺寸

重量

直径 总高 引脚间距 F

m Ω mm mm mm g 1 SR2R7103Z-L 1 450 8 13 3.5 2 SR2R7203Z-L 2 300 8 20 3.5 1.5 3 SR2R7303Z-L 3 200 8 20 3.5 1.5 4 SR2R7333Z-L 3.3 200 10 20 5 2.2 5 SR2R7473Z-L 4.7 120 13 21 5 3.2 6 SR2R7803Z-L 8 90 13 21 5 3.8 7 SR2R7104Z-L 10 70 13 27 5 4.8 8 SR2R7204Z-L 20 40 16 27 7.5 7.8 9 SR2R7304Z-L 30 30 16 32 7.5 9.7 10 SR2R7504Z-L 50 25 18 41 7.5 16 11 SR2R7604Z-P 60 25 22 42 10 20 12 SR2R7804Z-P 80 25 22 45 10 22 13

SR2R7904Z-P

90

25

22

54

10

29

旧式621、920、927型号即0.15F 、0.22F 和0.33F 准备逐步使用新型号1120代替；旧式1220、1920、2025型号即0.47F 、1F 和1.5F 将以1920外壳统一，2430即4F 出货量很少暂维持不变。

生产周期

海特扣式电容的理论生产周期为95.5h ；圆柱电容的理论生产周期为166 h 海特电容命名规则：

扣式电容中常说的621、920、1920等是指其单体外形尺寸，例如621指外径为6mm ，高度为2.1mm （理想情况下）的电容外壳，以此类推。

产品代号：用大写字母“S”表示超级电容器Supercapacitor

形状代号：用大写字母“R ”表示圆柱形Rotundity ，C 表示扣式Coin ，“P ”表示长方体Prismatic 电压代号：用2R5表示电压为2.5V ，2R7表示2.7V ，5R5表示5.5V

容量代号：三位阿拉伯数字表示，如：473表示4.7×103mF 偏差代号：Z 表示偏差为-20％～+80％

引脚类型代号：圆柱：L ：导针式；P ：盖板式；B ：螺栓式

扣式：V ：直插式；H ：平卧式；C ：组合封装式 S □ □□□ □□□ □-□

扣式电容结构解剖示意图：

扣式C型封装结构示意图：

圆柱电容结构类似于锂离子电池，结构示意图限于时间不再画出。各电容类型信息详见规格书！