超級(jí)電容器概述

鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng)，專注鋰電十年 只分享干貨！ 超級(jí)電容器是一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其儲(chǔ)能過程高度可逆。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn): 超級(jí)電容器具有法拉級(jí)的大容量，其功率密度遠(yuǎn)大于普通電池的功率密度，并且兼具充放電效率高、綠色環(huán)保、無需維護(hù)等特點(diǎn)。正是由于超級(jí)電容器具備的這些特點(diǎn)，使得人們一再重視并不斷研究如何提高超級(jí)電容器性能的課題。

但是，與普通電池相比，超級(jí)電容器的能量密度遠(yuǎn)低于普通電池，這一原因在一定程度上限制了超級(jí)電容器的發(fā)展。如何增大超級(jí)電容器的比容量，成為發(fā)展超級(jí)電容器面臨的難題之一。有學(xué)者提出: 普通電池具有很大的比容量，將超級(jí)電容器與普通電池結(jié)合起來使用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)其長(zhǎng)避其短，是未來儲(chǔ)能器件的發(fā)展方向之一。

一、超級(jí)電容器的概述

1.1 超級(jí)電容器的基本概念

超級(jí)電容器是一類類似于蓄電池而又有一定程度差別的儲(chǔ)能裝置。它是一種介于普通電池和普通電容器之間的電化學(xué)元件，能量的儲(chǔ)存主要是通過極化電解質(zhì)。其儲(chǔ)能過程不僅高度可逆，而且是物理變化過程。因此，超級(jí)電容器既能夠反復(fù)充放電，又不會(huì)對(duì)比電容產(chǎn)生任何影響。

1.2 超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理

按照儲(chǔ)能原理機(jī)制，超級(jí)電容器分為以下兩類: 雙電層電容和準(zhǔn)電容( 又稱法拉第贗電容) 。

(1)雙電層電容。雙電層電容器儲(chǔ)存能量的途徑，主要是通過電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙層。所謂界面雙層，是指在雙電層電容器中電極與電解液相互接觸，在庫(kù)倫力、分子及原子間作用力的相互影響下，固液界面上出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的雙層電荷。a．充電過程: 在兩電極上施加電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，電解液中的陰陽離子分別向正負(fù)兩極移動(dòng)，從而形成雙電層; 撤去電場(chǎng)后，利用同種電荷相互排斥異種電荷相互吸引的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)雙電層的穩(wěn)定，產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢(shì)差。b．放電過程: 將電極與外電路連通，在電勢(shì)差的作用下，電子發(fā)生定向移動(dòng)形成外電流。此時(shí)吸附在電極表面上的陰陽離子回到電解液本體，雙電層解體。

(2)準(zhǔn)電容。準(zhǔn)電容器主要是指在電極材料表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，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/脫附或氧化/還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于反應(yīng)在整個(gè)體相中進(jìn)行，因而這種體系可實(shí)現(xiàn)的電容較大。a．充電過程: 將電極與外電路連通，在外電場(chǎng)的作用下，電極或溶液表面聚集大量的陰陽離子，通過氧化還原反應(yīng)，這些離子進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而實(shí)現(xiàn)電荷的儲(chǔ)存。b．放電過程: 進(jìn)入氧化物中的離子通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時(shí)將所存儲(chǔ)的電荷通過外電路釋放出來。

1.3 超級(jí)電容器的分類

對(duì)于超級(jí)電容器而言，可從不同方面對(duì)其進(jìn)行分類，具體分類如下:

(1)從儲(chǔ)能原理方面，可分為雙電層電容器、準(zhǔn)電容器和混合型電容器?；旌闲碗娙萜鹘鉀Q了蓄電池的功率密度低和超級(jí)電容器能量密度較低的缺點(diǎn)，而且不必借助串聯(lián)結(jié)構(gòu)，混合型超級(jí)電容器就能滿足工作電壓的需求。

(2)從電極材料方面，可分為碳電極電容器、導(dǎo)電聚合物電容器和貴金屬氧化物電極電容器。其中由于活性炭的成本較低、比表面積高、容量大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

(3)從電極上的反應(yīng)情況及結(jié)構(gòu)方面，可分為對(duì)稱型和非對(duì)稱型超級(jí)電容器。對(duì)稱型超級(jí)電容器的特點(diǎn)是電極組成相同、反應(yīng)相同、反應(yīng)方向相反; 非對(duì)稱型超級(jí)電容器的特點(diǎn)是電極組成不同、反應(yīng)不同。

二、超級(jí)電容器的特點(diǎn)

2.1 超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于其它儲(chǔ)能裝置而言，超級(jí)電容器主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

(1)高比功率: 超級(jí)電容器的功率密度是普通電池的10-100 倍。

(2)使用壽命長(zhǎng)、充放電效率高: 超級(jí)電容器的充放電過程是物理變化，理論上可充放電數(shù)十萬次乃至無窮大，而且能夠迅速充放電。

(3)作用溫度范圍寬: 在超級(jí)電容器的充放電過程中，電荷的轉(zhuǎn)移主要是在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，隨溫度的變化其容量不會(huì)發(fā)生較大的變化，在-40-70 攝氏度的環(huán)境下均能正常工作。

(4)可靠性高: 久置不用，普通電池和超級(jí)電容器都會(huì)發(fā)生電壓降低的現(xiàn)象，對(duì)它們進(jìn)行充電便可使電壓復(fù)原。與普通電池不同的是，超級(jí)電容器的容量性能不會(huì)因此受到任何影響。

(5)綠色環(huán)保、無污染: 超級(jí)電容器在生產(chǎn)、裝備、工作過程中不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，并且線路簡(jiǎn)單，可以直接讀出剩余電量，檢測(cè)方便。

2.2 超級(jí)電容器的缺點(diǎn)

(1)能量密度低: 相較于普通電池，超級(jí)電容器的能量密度遠(yuǎn)低于普通電池的能量密度。

(2)耐壓較低: 單體電壓低，受制于超級(jí)電容器的電解溶液的分解電壓。

(3)成本高，和鋁電解電容器相比，超級(jí)電容器的內(nèi)阻較大，不可以用于交流電路。

2.3 超級(jí)電容器與其他儲(chǔ)能裝置的比較

超級(jí)電容器在一定程度上彌補(bǔ)了普通電容器和普通電池的空白。如下表所示: 超級(jí)電容器的比功率遠(yuǎn)高于普通電池，與普通電池相比，超級(jí)電容器的充電時(shí)間極短，可迅速充放電，其充放電效率高于普通電池很多，并且超級(jí)電容器的使用壽命長(zhǎng)。

幾種電化學(xué)元件的性能比較表

三、超級(jí)電容器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 運(yùn)輸方面

超級(jí)電容器在運(yùn)輸方面主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域。電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車對(duì)動(dòng)力能源的要求較高，蓄電池受其自身的功率輸出、壽命、充放電效率等方面的限制，無法在最大程度上滿足機(jī)車的需求。而超級(jí)電容器-蓄電池組能夠提高機(jī)車的啟動(dòng)性，在一定程度上能很好地滿足機(jī)動(dòng)車在啟動(dòng)、加速、爬坡時(shí)對(duì)功率的要求，并且在溫度較低的條件下，能夠正常啟動(dòng)且一次性啟動(dòng)。為盡量減少大電流充放電對(duì)電池造成的負(fù)面影響，需要超級(jí)電容器與動(dòng)力電池的相互配合，從而延長(zhǎng)電池壽命。與此同時(shí)，超級(jí)電容器還能夠通過再生制動(dòng)系統(tǒng)將瞬間能量收回，提高能量利用率。

3.2 消費(fèi)電子方面

超級(jí)電容器具有在短時(shí)間內(nèi)能夠迅速完成充電、提供瞬時(shí)大電流的特點(diǎn)，可以在系統(tǒng)電壓突然降低的情況下，充當(dāng)后備電源的作用。例如主電源突然發(fā)生中斷、接觸不良或負(fù)載過大等，超級(jí)電容器可以避免由于突然斷電對(duì)用電器產(chǎn)生的不良影響。

3.3 可再生能源發(fā)電/分布式電力系統(tǒng)

超級(jí)電容具有高比功率、使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能效率高、無須維護(hù)等特點(diǎn)，在可再生能源發(fā)電或分布式電力系統(tǒng)領(lǐng)域中，可以彌補(bǔ)發(fā)電設(shè)備輸出功率的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測(cè)性的劣勢(shì)。在高壓開關(guān)站及變電站硅整流分合閘裝置領(lǐng)域中，由于超級(jí)電容器能夠有效地解決傳統(tǒng)電解電容器儲(chǔ)能低及漏電流大造成的分合閘裝置可靠性差等問題，傳統(tǒng)電解電容器逐漸被超級(jí)電容器替代。超級(jí)電容器也可應(yīng)用于分布式電網(wǎng)。分布式電網(wǎng)系統(tǒng)利用多組超級(jí)電容器將能量以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存起來，當(dāng)能量出現(xiàn)緊缺時(shí)，通過控制單元再將存儲(chǔ)的能量釋放出來，這能夠準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的能量，實(shí)現(xiàn)電能平衡機(jī)制的穩(wěn)定控制。同時(shí)，超級(jí)電容器還可以改善電網(wǎng)質(zhì)量。

3.4 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量緩沖器

超級(jí)電容器和功率變換器構(gòu)成的能量緩沖器，可以應(yīng)用于電梯等變驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加速時(shí)，向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直流母線提供電流，從而提供電機(jī)所需的峰值功率; 減速時(shí)，電機(jī)通過變頻器向直流母線進(jìn)行能量回收。在動(dòng)力 UPS 系統(tǒng)中，超級(jí)電容器可以作為能量直流儲(chǔ)能組件，其可以避免由多節(jié)蓄電池串聯(lián)所帶來的一系列的問題，并且降低成本，便于維護(hù)，提高 UPS 設(shè)備的可靠性。

3.5 軍事裝備

軍事裝備要求儲(chǔ)能單元可靠、輕便并且隱蔽性要強(qiáng)，但很多的軍用裝備不能夠直接通過公共電網(wǎng)供電，而是需要配置發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能裝置。混合型超級(jí)電容器在一定程度上能夠滿足軍事裝備的需求: 能夠大幅度減輕背負(fù)設(shè)備的重量; 解決常規(guī)潛艇中蓄電池壽命短暫的問題; 解決運(yùn)輸車等車輛的低溫啟動(dòng)性困難的問題，另外還可以提高車輛的動(dòng)力性和隱蔽性。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：簡(jiǎn)析超級(jí)電容器的原理及應(yīng)用

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