有容乃大的超級電容?

有容乃大的超級電容?

什么是超級電容器

超級電容器（supercapacitor）是指相對傳統(tǒng)電容器而言具有更高容量的一種電容器。通過極化電解質(zhì)來儲存能量。是介于電容器和電池之間的儲能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電池的儲能特性。

超級電容器，又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容。它與普通電容的區(qū)別是它是一種電化學(xué)的物理部件，但本身并不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，超級電容的儲電量特別大，達(dá)到法拉級的電容量。（還有一大類是法拉第準(zhǔn)電容，但是化學(xué)儲能，所以儲能可以深入到電極內(nèi)部，而且高度可逆，儲能比雙層電容器高，但是功率密度低。）

普通電容器：

兩個絕緣并且靠近的導(dǎo)體——極板，中間夾一個絕緣物質(zhì)——電介質(zhì)，兩條引線。

沖電時不顯示級性（無正負(fù)級），電容器的2個極板與電源相連時，電路中有電流通過，使電容器的2個極板分別帶上等量異種電荷。

超級電容器工作原理：

當(dāng)外界電壓加到超級電容器的兩個極板上時，和普通電容器一樣，極板的正電極儲存正電荷，負(fù)極板儲存負(fù)電荷。在超級電容器的2個極板的上電荷電場的作用下，在電解液與電極之間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場。

正電荷和負(fù)電荷以極端的間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫雙電層。超級電容器的面積來自一個多孔的碳基電極材料，這種材料的多孔結(jié)構(gòu)，允許其面積接近2000平方米每克。

電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm，因此電容量大。大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級別，一般電容的值為1F-5000F。隨著超級電容器放電，正，負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。由此可以看出，超級點容器的沖放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。因此充放電壽命很長，可以達(dá)到50w次以上。

優(yōu)點：

1，電容量大。電極接觸面積大。容量很容易超過1F。比普通電容器提升了3-4個數(shù)量級。目前單體超級電容器可以達(dá)到5000F。

2，超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。

3，功率密度大?？梢运查g提供高電流。超低串聯(lián)等效電阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上，2700F的超級電容器放電流不低于950A，可以到達(dá)1680A）。

4，可以在數(shù)10秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電。

5，可以在很寬的溫度下工作（-40攝氏度-+70攝氏度）低溫性能優(yōu)越。超級電容充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，所以容量隨溫度衰減非常小。電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達(dá)70%。

6，產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。

7，超級電容可以串并聯(lián)組成成超級電容模組，可耐壓儲存更高容量。

缺點：

1，能量密度通常還是要低于化學(xué)電池。雖然2010年實驗室中已經(jīng)可以達(dá)到85W.h/kg，而鋰電池可以達(dá)到100-250W.h/kg。

2，自放電率比其他的電化學(xué)電池高。

3，電壓會隨著放電下降，造成能量損失。超級電容器2端通常需要與一個DC/DC變換器相連，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。

4，大電壓比較低：

超級電容器的儲能為：Q=0.5*C*U^2（單位：焦耳），因為現(xiàn)在超級電容器的耐壓值都偏小，所以能量密度太低，一般還是和蓄電池混合使用。

石墨烯超級電容器

石墨烯超級電容器為基于石墨烯材料的超級電容器的統(tǒng)稱。由于石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)和出色的固有的物理特性，諸如異常高的導(dǎo)電性和大比表面積，石墨烯基材料在超級電容器中的應(yīng)用具有極大的潛力。石墨烯基材料與傳統(tǒng)的電極材料相比，在能量儲存和釋放的過程中，顯示了一些新穎的特征和機制。

層層堆疊阻礙石墨烯，片層的雙電層作用的發(fā)揮

石墨烯是一種二維的碳材料，將有序排列的、蜂窩狀、層層堆疊形成的石墨，剝離成單層的薄片時，這種只有一個碳原子厚度的單層石墨就被稱為石墨烯。

這種單原子厚度的石墨烯不僅具有超高比的表面積，同時，石墨本身良好的平面六邊形點陣有利于電子的自由移動，從而使其具有超高的導(dǎo)電性，因此被廣泛地應(yīng)用于電極材料的研究中。

尤其是對于平面化微型超級電容器來說，利用石墨烯作為電極材料能夠充分利用石墨烯的優(yōu)勢,不僅能夠進(jìn)一步降低整個器件薄度、減小體積，同時實現(xiàn)了電解液離子的快速遷移，從而實現(xiàn)電荷的高能量存儲。

研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的摻雜可以在其表面誘導(dǎo)形成高的局域電荷，從而提高其化學(xué)活性。但是在摻雜的過程中，以石墨烯為前軀體，制備出厚度均一、大面積雜原子摻雜的石墨烯薄膜仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

光還原石墨烯微型超級電容器

超級電容器的應(yīng)用

超級電容具有高功率密度和能量密度、使用壽命很長、尺寸緊湊等特性，當(dāng)它與其它新興的電池技術(shù)結(jié)合使用時，可滿足高性能電源應(yīng)用的需求。

快速充電的產(chǎn)品

有一些應(yīng)用適合采用超級電容系統(tǒng)。這些應(yīng)用實例包括汽車應(yīng)用(如混合動力汽車)和消費電子(如數(shù)碼相機)，在數(shù)碼相機里，超級電容一起使用。

備份能源

在所有備份燃料電池應(yīng)用中，當(dāng)主電源斷掉后，備份電源需要立刻提供電源。因為燃料電池從啟動到滿功率運行一般需要10秒到60秒的啟動時間，所以它需要一個能量緩沖器。 越來越多的燃料電池公司在考慮將超級電容作為整個備份電源封包的一個組成部分。

電動汽車

傳統(tǒng)的蓄電池（如鉛酸電池）由于功率密度偏低。在正常行駛時，電動汽車從蓄電池中吸取的平均功率相當(dāng)?shù)?，而加速和爬坡時的峰值功率又相當(dāng)高，一輛高性能的電動汽車的峰值功率與平均功率之比可達(dá)到16：1。事實上，電動汽車行駛中用于加速和爬坡時所消耗的能量占到總能耗的2／3。

蓄電池與超級電容器混合動力車的出現(xiàn)很好地解決了電動汽車?yán)m(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾。其中由蓄電池提供的續(xù)駛里程，而由超級電容在加速和爬坡需要大功率時提供短時的輔助動力。超級電容的能量可以直接取自蓄電池，也可以在電動汽車剎車或下坡時回收可再生的動能。

加裝超級電容還解決了低溫啟動困難的問題，鉛酸蓄電池的低溫性能也較差，在—40℃時它的電流輸出能力約是常溫時的1/10左右。所以造成了機動車的低溫啟動困難。而超級電容的正常工作溫度在-40℃至+70℃之間。機動車在-15℃時啟動已經(jīng)困難，而用超級電容器即使是在-30℃時，仍能順利啟動。

在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

目前主要的儲能系統(tǒng)有蓄電池和超級電容器兩種方案。 蓄電池的充放電特性不好，充電時間長，充電、放電電流不能太大；蓄電池需要維護(hù)；蓄電池的低溫特性不好，在寒冷季節(jié)容量會衰減；蓄電池的循環(huán)壽命短，可靠性不強。

超級電容器的特點突出：高效率、大電流放電、寬電壓范圍、寬溫度范圍、狀態(tài)易監(jiān)控、長循環(huán)壽命、長工作壽命、免維護(hù)、環(huán)保。而且風(fēng)力發(fā)電的電流波動范圍比較大，超級電容器又沒有嚴(yán)格的充電電流限制。因此它極為適合在風(fēng)力發(fā)電機組這樣的工況環(huán)境中工作。

在飛機上的應(yīng)用

超級電容器在以內(nèi)燃機為動力的直流電源車上的采用,可解決電源車啟動飛機發(fā)動機瞬間功率不足的技術(shù)難題。同時,在啟動瞬間超級電容器對直流電源車發(fā)電系統(tǒng)尤其是內(nèi)燃機具有很大的保護(hù)作用。對于逆變電源,同樣也可以和超級電容器結(jié)合組成大功率特種沖擊電源設(shè)備,可提供數(shù)千安培的沖擊電流,供啟動飛機發(fā)動機之用。

在數(shù)字電器控制器中的應(yīng)用

電器的制造廠家都會為電器的控制器添加后備電源，超級電容的出現(xiàn)給他們帶來了解決這一問題的新的方法，超級電容因具有容量大、充放電快、還有超長的工作壽命循環(huán)充放電可以達(dá)到10萬次以上、安全可靠無污染以及其外型和紐扣電池相似使用很方便等特性成為控制器后備電源的選擇。

在軍事上的應(yīng)用

可以用于高能脈沖設(shè)備或者高能脈沖武器。比如激光武器的充能需要瞬間高能供應(yīng)。超級電容器的瞬間大電流放電正好符合要求。

近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的可穿戴、便攜式電子產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的生活中，電子產(chǎn)品逐漸向小巧、可穿戴、可折疊和柔性方向發(fā)展，這就要求為電子產(chǎn)品提供能量的儲存器件具有輕、薄、柔等特點。在眾多儲能器件中，超級電容器，尤其是柔性全固態(tài)超級電容器由于具有可快速充放電、高的功率密度、超長的循環(huán)壽命、安全環(huán)保和優(yōu)良的力學(xué)性能（可在任意變形時仍保持良好的電化學(xué)性能）以及寬的使用溫度范圍等優(yōu)點而獲得人們的青睞。