電容的產電效應

深圳和而泰智能控制股份有限公司 羅振華

一、電解電容

一盤很久沒用的220μF/50V貼片鋁電解電容，拿出來測得單個放置的電容，正極對負極有電壓分別為1.07V，0.874V，1.212V，1.9V，其它的也都是正極對負極有正向壓差，1.9V的甚至能讓紅色發光二極管（紅色LED導通電壓1.6-1.7V）發光，這是怎么回事？

在網上搜索了一下，電容器充電后將電放掉，過一段時間端子間又會產生電壓，電壓值能夠達到原先施加電壓的15%到25% ，這個電壓被稱為再生電壓，其存在與介質吸收現象有關，是否就是這樣呢？

當把它們的電壓短路到0V后，馬上解除短路，可以測得電壓緩慢的升上去，說明原來存儲的電能是會繼續被轉運到兩極變成電壓。

但把上面的電容正、負極短路，壓差變為0V，一直保持短路10小時，可以認為原來存儲的電能已經完全釋放，然后解除短路，過了12小時后，電壓分別為：

24.3 mV 18.8mV 7.5mV

把電壓24.3mV這只串入萬用表200μA電流檔位量程，可以看到電流從15μA到8μA，再到0.3μA，最后放完電到0μA。

為了方便測量電壓，另外拿了幾只長期放置的插件470μF/25V鋁電解電容，測得電壓：225mV 92mV 149mV 117mV 40mV ，

在春天中午的陽光下曬了30分鐘后再測，電壓對應為：

267mV 167mV 191mV 167mV 129mV ，

5只電容的電壓分別增加了: 42mV 75mV 42mV 50mV 89mV。

經過試驗，電容產生電壓和環境溫度和溫度變化關系非常大：

把5只470μF/25V鋁電解電容（只有一只電容有165mV，其它為0mV）的正極引腳用電烙鐵在350℃溫度焊接在一起，所有負極也焊一起，也就是并聯起來，正負極間加1MΩ阻值電阻，焊完后正負極間電壓馬上測得為653mV，過了10個小時，在21℃環境溫度0.1mV；在環境溫度中，慢慢穩定到1.5mV，拿到太陽下面曬30分鐘，電阻上電壓升到15mV！按照功率公式：P=U2/R ，因為氧化膜電阻在幾度溫度差異的阻值變化（溫度系數10-4/℃級別）可以忽略。

P2/P1=(15×15）÷(1.5×1.5）=100

能量提高到100倍！

把4只470μF/25V鋁電解電容一直并一只1MΩ電阻，在相對穩定的不同環境下，經過數月連續測量，電阻上電壓測得下面二表：

表一 室內、恒溫±1℃測得的數據

表二 室外、自然環境下測得的數據

當把這4只電容從-2 ℃的室外拿到20℃的室內，過了30分鐘，電阻兩端的電壓從-0.6mV升到3.1mV。

電容產生的電壓最后會因為溫度，內阻，空氣中水分放電等而形成動態平衡，最后穩定下來，所以把電容裝在塑料自封口膠袋中電壓能更高些。

電容容量大小與產電關系：

經試驗，在一定范圍內，電解電容越大，在環境中相對更能產生和存儲電能（當然就算同樣大小的電容，產能大小也有高低）；

當電容容量太小，則在正負極雖然也能產生電壓，但能量很小，一只2.2μF/400V的電解電容(體積比100μF/16V大)用萬用表測量時：電壓在2.3mV到0.1mV變化不能穩定；

4.7 μF/25V無極性的貼片電容（X7R材質）測得：10到-3mV變化；

1μF/50V無極性的貼片電容（X7R材質）測得： 4.8 到-2.6mV變化；

100μF/16V電解電容雖然能測得產生的穩定電壓，但在萬用表的測量下因為放電，電壓會不斷下降；

而220μF/50V，470μF/25V電解電容產生的電壓不但可以穩定的被萬用表測量到，甚至可以用示波器看到該電壓，并可以帶1MΩ阻值電阻負載；

一只4700μF/35V帶1MΩ電阻負載：室溫測得0.8mV，1mV，1.2mV；

一只22mF/25V帶470KΩ電阻負載：室溫測得12mV，17mV，19mV；

一只47mF/16V帶470KΩ電阻負載：室溫測得1.1mV，1.5mV，2.4mV；

電容的儲能A（單位：焦耳）與電容容量C，電壓U的關系為：

A=1/2*C*U*U

所以容量越高，電容上電壓越高，儲能越多。

當然超級電容的容量可以更大，它的產電情況下面一節專門介紹。

產電極性：

220μF及以上的大容量電解電容，絕大部分產生的電壓都是正極腳也是正，負極腳也是負，少部分則和引腳極性相反，有壓壞的4700μF/35V在長期穩定后上面的電壓是-106mV，也有一只正常的470μF/25V在一年多時間里都是負電壓，現在還保持-141.1mV；

三只100μF/50V電解電容在室內長期放置后分別是:-34.2，117，172mV，有正有負；

一只10μF/400V電解電容，可能有時候測得-31mV，有時候又測得139mV ，隨環境變化（比如：溫度不同，升溫，降溫）極性會發生反轉；

當電解電容反向充電（負極為正電壓，注意不能電壓太高，否則電容會擊穿，與產電極性相反），當給它升溫，兩極間電壓會不斷降低，甚至極性反轉，變成按產電的正常極性。

二、超級電容

超級電容，通過極化電解質來儲能，在其儲能的過程并不發生化學反應，有比普通電容器更大的容量。

因為更大的電容，超級電容表現出更大的帶負載能力，也意味著更大的產能能力，見下面三表，都是在24小時連續測量情況下數據：

表三 室內、三只5F超級電容并聯后加470KΩ負載

表四 室內、二只4F超級電容并聯后加1MΩ負載

將三只5F，二只4F超級電容并聯加1MΩ負載測得表五數據（數據是連續測得的，但溫度有時候沒測）

表五 室內、三只5F，二只4F超級電容并聯加1MΩ負載

三只5F/2.7V超級電容串聯在一起，上面電壓1.956V，無負載，在夏天室內6天后，電壓上升到1.963V；

和電解電容不同，在短時間的升溫情況，超級電容的電壓（儲能）是下降的：

室內：三只5F并470KΩ，21.5mV； 二只4F并1MΩ，15.2mV.

在陽光下曬30分鐘后，負載上電壓變為：

三只5F并470KΩ，21.3mV； 二只4F并1MΩ，15.0mV.

電壓都下降了0.2mV，用電烙鐵焊引腳也同樣導致電壓下降。

三、X7R貼片電容4.7μF/25V

一盤放了一年的4.7μF/25V貼片電容（X7R材質，0805封裝，無極性），測得里面的電容兩端有86mV，24.5mV，20mV的，取20只并聯焊在電路板上，短接二端放電到0V后，加1MΩ負載，在室溫23℃，可穩定在0.1mV電壓，用電吹風吹熱風，可使電壓上升到67mV。

將9只貼片電容并聯焊在一塊電路板上，共5塊這樣的板，全部短路放電后，在室溫下它們二端產生的電壓不同，有的-40.2mV，有的20.6mV，有的-28.1mV，有的30.7mV，極性的不同是相對電路板上定義的極表現出來的，在環境中，并聯后的電容產電極性還會發生變化。

將15只貼片電容從取出時測量帶電極性，然后同極在一邊焊在敷銅板上，極間劃開防短路，也就是并聯，測得電壓2.8mV，用電吹風加熱，電壓升到150mV，再短路放電，反向充電到約-1.5V后，再短路，然后放開，電壓會慢慢升到，-2.0mV，用電吹風加熱，電壓升到-58mV。

四、平行板電容

沒有腐蝕的雙面敷銅板，大小為115mm*122mm，厚度1.0mm，其實就是一塊平行板電容，電容約30nF,電阻7MΩ，用萬用表量得兩面的電壓差有33mV，28mV，一直在變化，如果把它們短路，則在電壓變成0mV后，只要不再短路，該壓差馬上可以測到。

如果用一根點著的蠟燭在旁邊靠近其中一面，則在一瞬間可以測得180mV的電壓差。

五、電壓提升和利用

另外，把電解電容的鋁殼剝掉，再用高頻開關變壓器使用的聚酰亞胺帶纏繞，也能提高一定的電壓，如下是一只22mF/25V電解電容剝掉鋁殼，用聚酰亞胺帶包裹后再包電工膠布，并4只470μF/25V剝掉鋁殼并包裹聚酰亞胺帶的電解電容，加1MΩ負載的測量表：

表六 室內、一只22mF，4只470μF并聯加1MΩ負載

雖然電容產生的電壓比較低，但通過升壓電路，比如LTC3109芯片能以低至±30mV 的輸入電壓工作，轉化為3.3V電壓給單片機或者傳感器工作（見圖一）。

在上面的表六中，已經看到可以產生超過30mV（1MΩ負載）情況，32℃時穩定產能3.8nW（10億分之1瓦），而1nW可以驅動一個最簡單的無線電發射機；

有些間歇工作，大多數時候休眠的電路具有超低功耗，平均功率可降至不到20μW；心臟起搏器可以在40μW的供電下工作；

2015年，澳大利亞和中國研究人員首次合成能把熱能轉化為電能的布料，體溫類似溫度下產生電流，功率約1nW，和上面電容的產能差不多。

圖一 適用于單極性輸入工作方式的LTC3109原理圖

六、產生機制的探討

通過以上的試驗數據，我認為：

1.電容的產電效應不是溫差電現象；

溫差電現象：又稱作第一熱電效應，它是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。

當電解電容帶負載，在室內一天24小時內保持溫差±1℃（見表一），依然可以產生電壓，并在一定范圍內隨環境溫度的升高而增加，并且，體積的差異沒有電容的容量的產能差異大，在從-5℃到+30℃溫度范圍內電解電容（470μF/25V，工作溫度-40℃到105℃）產電極性從負到正，無論超級電容、電解電容、貼片電容，平行板電容，都有產電效應，所以，可以排除是溫差電現象。

2.只要是電容，不管它是含電解液（電解電容，超級電容），還是不含（X7R貼片電容，平行板電容），有極性還是無極性電容，就有產電效應，都可以在二個電極產生電壓。

3.在不同的溫度環境，相對來說溫度越高，電容產生能量越多，同時溫度的突變也會導致能量輸出的劇變。

4.電容的容量大小與產能大小是有關系的。

5.溫度，外電阻，內電阻，還有電荷的累積，最后可形成一個動態平衡，儲存電荷Q與兩極電壓U，電容容量C的關系為：

Q=U*C；

6.充電后，再短路放電到0V，馬上放開，里面剩余存儲的電荷還會繼續運動到兩極，也就是再生電壓，同時，電容的產電效應在進行，但電解電容的產電是有對應極性的，而X7R貼片電容的產電是沒有極性的。

總之，電容的產電效應，是一種和電容性有關的能力，能把環境中的能量轉化為電能，這個能力大小和溫度，溫度變化有關系。

七、電容產電效應的展望

如果我們能大幅度提高電容的產電效率，并通過做大、并聯，以及通過升壓手段，在高溫地區，或者利用廢熱，就很有希望能廉價地，或者方便地，直接從環境中獲得可利用的能量。

高溫，干燥的沙漠，比如撒哈拉沙漠，也許能用上這樣的不怕灰塵的電池。

[1]虞燕軍,張亞.金屬氧化膜電阻溫度系數的測定[J].山西電子技術,2006年第2期.

[2]引用地址http://www.eepw.com.cn/article/134145.htm.

[3]大科技.2015年10A,38頁.