The principle, classification and formula of Farad capacitor!

Capacitor Farad: Também conhecido como supercapacitor ou capacitor elétrico de dupla camada

A Capacitor Farad , também conhecido como supercapacitor ou capacitor elétrico de dupla camada , é um dispositivo de armazenamento de energia eletroquímica com base no princípio de armazenamento de energia eletrostática . Comparados com os capacitores tradicionais, os capacitores Farad têm maior densidade energética e densidade de potência , mantendo ao mesmo tempo a características de carregamento e descarregamento rápidos do Capacitor AD8183ARU . Este artigo irá elaborar sobre o princípio básico, classificação e fórmulas relacionadas de capacitores Farad.

Princípio

O princípio básico de funcionamento de um capacitor Farad é baseado no efeito eletroquímico de dupla camada e efeito de pseudocapacitância . Quando um voltagem externa é aplicado na interface entre o eletrodo e o eletrólito , cargas positivas e negativas acumulam-se nas superfícies dos dois eletrodos, enquanto o íons no eletrólito migram em direção ao eletrodo de carga oposta sob a ação do campo elétrico , formando um estrutura de camada dupla firmemente organizada na interface eletrodo/eletrólito. Como esse processo não envolve reações químicas, as velocidades de carga e descarga são rápidas , e o ciclo de vida é longo .

1. Capacitância elétrica de dupla camada

Este tipo de capacitância é formado principalmente pela separação pura de cargas , e sua capacidade de armazenamento de energia depende da área de superfície do eletrodo , o tipo e concentração do eletrólito , e o distância entre os dois eletrodos .

2. Pseudocapacitância

Isso ocorre em materiais especiais de eletrodo , onde o armazenamento de carga é aprimorado por meio de reações redox de superfície rápidas ou processos de adsorção/dessorção , deste modo melhorando o desempenho da capacitância .

Classificação

Os capacitores Farad podem ser classificados de várias maneiras com base em diferentes padrões:

1. Classificação por material do eletrodo

• Capacitores à base de carbono : Os materiais de eletrodo mais comumente usados, como carvão ativado, nanotubos de carbono e grafeno , recurso baixo custo e boa estabilidade .

• Capacitores de óxido metálico : Como óxido de rutênio (RuO₂) e dióxido de manganês (MnO₂) , que melhoram a capacitância por aumentando a rugosidade da superfície do eletrodo .

• Capacitores de polímero condutor : Como polipirrol e politiofeno , que utilizam o reação redox de polímeros para aumentar a capacitância.

2. Classificação por eletrólito

• Capacitores de eletrólito líquido : Usar soluções orgânicas ou soluções aquosas como o eletrólito, fornecendo maior densidade energética mas requerendo vedação específica e controle de temperatura .

• Capacitores de eletrólito sólido : Usar eletrólitos sólidos ou gelatinosos , melhorando segurança e reduzindo a corrente de fuga , tornando-os adequados para ambientes de alta temperatura ou extremos .

• Capacitores eletrolíticos híbridos :Combinar eletrólitos líquidos e sólidos , com o objetivo de equilíbrio desempenho e segurança .

3. Classificação por Estrutura

• Capacitores elétricos de dupla camada (EDLCs) : O tipo mais fundamental , utilizando diretamente o dupla camada eletroquímica para armazenamento de energia.

• Pseudocapacitores : Armazene energia adicional através de reações redox de superfície de materiais de eletrodos, oferecendo maior densidade energética .

• Supercapacitores Híbridos :Combinar capacitores elétricos de dupla camada e pseudocapacitores , com o objetivo de alcançar o equilíbrio ideal entre densidade energética e densidade de potência .

Fórmulas

O parâmetros-chave e fórmulas de cálculo para capacitores Farad incluem:

1. Capacitância (C)

Capacitância, medida em Farads (F) , representa a capacidade de armazenar um coulomb de carga sob um volt de voltagem . A capacitância de Capacitores Farad é significativamente maior do que a dos capacitores comuns, variando tipicamente de farads para milhares de farads .

C=I×paraδVC = \frac{I \vezes t}{\Delta V} C =δ V I× para ​

Onde:

• $I$ = Corrente de carga

• $para$ = Tempo de carregamento

• $\delta V$ = Mudança de voltagem

2. Densidade de energia (E)

Densidade de energia, medida em watt-hora por quilograma (Wh/kg) , representa a quantidade de energia armazenada por unidade de massa do capacitor.

E=12×C×V2E = \frac{1}{2} \vezes C \vezes V^2 E = 21 ​ × C× V 2

Onde:

• $C$ = Capacitância

• $V$ = Tensão de operação

3. Densidade de potência (P)

Densidade de potência, medida em watts por quilograma (W/kg) , representa o potência máxima de saída por unidade de massa do capacitor.

P=EtP = \frac{E}{t} P = para E ​

Ou, expresso diretamente em termos de corrente e voltagem :

$$P=I\times V$$

4. Resistência série equivalente (ESR)

A ESR afeta eficiência de carga/descarga e gerenciamento térmico , medido em ohms (ω) .

ESR=δVIESR = \frac{\Delta V}{I} ESR = Iδ V ​

Onde:

• $\delta V$ = Queda de tensão medida durante descarga de corrente constante

• $I$ = Corrente durante a descarga