超级电容/电池纲要全解及应用发展趋势

子（ 一般为H+或OH-）在外加电场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中；若电极材料是具有较大比表面积的氧化物，就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路释放出来。

　　2、双电层电容器

　　一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。作为补偿，带正电的正电极吸引电解液中的负离子，负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，由此产尘的电容称为双电层电容。双电层是由相距为原子尺寸的微小距离的两个相反电荷层构成，这两个相对的电荷层就像平板电容器的两个平板一样。Helmholtz首次提出此模型。

　　能量是以电荷的形式存储在电极材料的界面。充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，同时，正负离子从溶液体相中分离并分别移动到电极表面，形成双电层；充电结束后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。在放电时，电子通过负载从负极流到正极，在外电路中产生电流，正负离子从电极表面被释放进入溶液体相呈电中性。

　　七、超级电容电池的泄露电流现象

　　当超级电容充电时，泄漏电流会随着时间而衰减，因为碳电极中的离子会扩散进入孔隙中。泄漏电流会稳定在一个均衡值，该值取决于电容、电压和时间。泄漏电流与 电容芯成正比。超级电容均衡泄漏电流的经验估计算法为室温下1μA/F。图6中的150mF电容，在160小时后的泄漏电流为0.2μA和0.3μA。泄 漏电流随温度升高而呈指数上升。

　　当温度升高时，稳定到均衡值的时间会减小，因为离子扩散的速度更快。因此，这些电容从0V充电需要的时间最小。根据不同的 超级电容，这个电流范围从5μA~50μA。设计者在为能量采集电路挑选超级电容时，应考虑测试这个最小充电电流。

　　八、超级电容电池的充电

　　一个放电的超级电容就像一个与能量源短接的电路。所幸，很多能量采集源（如太阳能电池和微发电机）都可以驱动一个短接的电路，从0V起为一只超级电容直接充电。与各种能量源（如压电或热电能）接口的IC必须能够驱动一个短接的电路，从而为超级电容充电。

　　业界在MPPT（最大峰值功率追踪）方面做了很大努力，以从能量采集源最有效地获得功率。当必须用恒压方式为电池充电时，这种方案是可行的。电池充电器通常是一个dc/dc转换器，它对能量源是一个恒定功率的负载，因此，采用MPPT在最高效点获得能量就是有意义的。

　　与电池相反，超级电容不需要以恒压充电，而以电源可以提供的最大电流充电时效率最高。一个简单而有效的充电电路，用于太阳能电池阵列的开路电压小 于超级电容额定电压的情况。二极管可防止超级电容在太阳能电池无光照情况下对其反充电。如果能源的开路电压大于超级电容的电压，则超级电容需要采用分流稳 压器做过压保护。分流稳压器是过压保护一种廉价而简单的方案，一旦超级电容充满电，就无所谓是否消耗了过多的能量。

　　能量采集器就像一根能无限供水的水管，为一个水槽注水（好比一只超级电容）。如果水槽满了，水管仍开着，水就会溢出。这与电池不同，电池供给能量有限，因此需要串联稳压器。

　　在电路里，超级电容为0V，从一块太阳能电池芯获取短路电流。随着超级电容的充电，电流下降，这取决于太阳电池芯的电压/电流特性。但超级电容总是 要获取可能的最大电流，因此它以尽可能大的速率充电。中的电路采用了TLV3011太阳能电池芯，因为它内含了一个电压基准，只需要约3μA的静态电 流，并且它是一种漏极开路电池芯，当稳压器关断时，输出就是开路的。电路采用了BAT54二极管，因为它在小电流时有低的正向压降，即在正向电流小于 10μA时，正向电压小于0.1V。

　　微发电机很适合于工业控制应用，如监控旋转的机器，因为机器在工作时会发生振动。给出了一只微发电机的电压-电流特性，它类似于一只太阳能电池 芯，能够为一个短接电路提供最大的电流。微发电机还带有一个二极管桥，可防止超级电容为发电机反向充电，这就得到了一个简单的充电电路。

当超级电容充电时，泄漏电流会随着时间而衰减，因为碳电极中的离子会扩散进入孔隙中。泄漏电流会稳定在一个均衡值，该值取决于电容、电压和时间。泄漏电流与 电容芯成正比。超级电容均衡泄漏电流的经验估计算法为室温下1&m