超级电容器技术简介.docx

超级电容器技术的研究背景及发展现状1.研究背景随着科技的进步及社会文明程度的提高，能源问题已成为人类社会可持续发展战略 的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时，也是促进能源科 技发展的巨大推动力进入二十一世纪之后，能源短缺和环境恶化的问题日益严重，这 促使人们应更加重视建立确保经济可持续增长、有利于环境的能源供应体系，节能和扩 大新能源开发利用成为世界性的趋势石油作为一种不可再生资源，随着人类需求的不断增长，已面临严重的短缺，并由 此不断引发全球性的社会、经济、政治问题而且，全球燃油汽车消费量的不断增加， 燃油汽车排放的NOx和COx对全球环境带来严重污染，并导致地球温室效应开发更加 清洁、环保的电动汽车被认为是解决能源问题和环保问题的一条有效途径，目前已成为 全球性的研究热点电动汽车的研究经过多年的研发，特别是最近十年来的集中研究，已经对电动汽车 有了比较统一的认识纯电动汽车（竦氢电池或锂离子电池作主电源）适合于短途应用， 燃料电池电动车由于技术和成本因素在二十到三十年内不具备商业化应用的竞争力，而 混合电动车（“油+电”混合，）被认为是最接近商业化的技术模式油+电”混合电动车 中的“电”主要是指二次电池，主要包括铅酸电池、竦氢电池和锂离子电池。

目前，商品 化的二次电池虽然具有较高的比能量，但比功率都很低，一般不超过500W/kg，而且电 池在高脉冲电流放电或大电流充电时会影响其使用寿命，并引起电池内部发热、升温， 存在安全隐患燃料电池同样是一种低比功率的储能元件，耐大电流充放电能力差单 独使用电池作为动力电源无法满足电动汽车对电源系统的要求从能源的利用形态来看，电能作为能量利用的最终形态，已成为人类物质生产和社 会发展不可缺少的“源动力”近年来，小型分立的可移动电源的发展更是增加了电能的 利用形式和应用范围电能除了通过固有的电网系统应用于工业和家庭生活外，通过可 移动电源（如铅酸、竦镉、竦氢、锂离子电池）等“承载体”更是成为随时随地均可便捷 使用的动力源，极大方便了人们的物质文化生活另外，随着科技发展和信息社会的到 来，各种计算机有关的电子设备、医疗设备、家用电器及移动通信设备的逐渐普及，对 高性能存储器备用电源的需求越来越迫切这些储能装置除对能量密度有一定要求外， 对功率密度的要求越来越高，有的已经超过了目前二次电池的标准设计能力，传统的静 电电容器也因能量密度过低不能满足要求因此，迫切需要高功率型的储能装置以满足 当前特殊应用领域的需求。

在上述特殊需要的推动下，电化学电容器近年来成为了人们的研究热点电化学电 容器是介于传统电容器和二次电池之间一种新型储能器件，具有比传统电容器更高的能 量密度，比二次电池更高的功率密度与二次电池相比，它的能量密度较低，但它的比 功率一般大于1000W/kg，是二次电池的一倍以上；并且，循环寿命比二次电池高一个数 量级以上电化学电容器与具有高能量密度的二次电池或燃料电池联合组成的混合电源 系统，能够满足电动汽车和混合电动汽车既需要高比能量，又需要高比功率，同时具有 高能量回收效率的动力电源系统的要求并且，由于电池不需要在大电流、高脉冲功率 条件下工作，能够大幅度延长电池的使用寿命由电化学电容器与二次电池或燃料电池 组合组成的电动汽车动力电源系统已经进行了整车实验，并已开始在各类型电动车中得 到应用最近出现了以电化学电容器为主电源的电容公交车，成为未来电动公交车发展 的一个方向除了在电动车领域的应用外，电化学电容器还可应用于记忆性存储器、微型计算机、 汽车音响、系统主板和钟表等的备用电源，电动玩具车等的主电源，内燃机的启动电源 及太阳能电池的辅助电源等同时，作为高脉冲电流发生器电源，电化学电容器在航空 航天、国防、通信等领域也将发挥重要作用。

作为一种新型储能元件，电化学电容器越来越受到国家的重视，2005年被列入《国 家中长期科学发展和技术发展规划纲要》（2005-2020年），成为国家长期发展的能源领域 中重要的前沿技术之一在2006年国家重大科技专项中涉及电化学电容器的内容有两项， 这足显国家对电化学电容器的重视电化学电容器是能量储存领域的一次新的革命和学 科及产业生长点此项目的成功突破并实用化，将在能源领域引起可与锂离子电池的实 用化相媲美的又一次创新2.超级电容器简介电化学电容器（Electrochemical capacitor，EC），又被称为超级电容器（Supercapacitor， Ultracapacitor）或者双电层电容器（Electric Double Layer capacitor，EDLC），是介于传统 物理电容器和二次电池之间的一种新型储能器件［9-10］最早出现的是采用活性炭做电极的 水系电化学电容器，后来又出现了采用活性炭做电极的非水系电解液有机体系电容器； 同期出现了以RuO2为代表的金属氧化物做电极的氧化还原电容器电极的材料体系和电 解液体系的发展极大促进了电化学电容器性能的不断提升，能量性能、功率性能以及循 环稳定性都得到了极大的改善，自放电和漏电流大等缺点也逐渐被克服，使得电化学电 容器的应用领域和市场正在迅速扩大。

2.1电化学电容器的工作原理双电层电容器的储能方式与传统静电电容器类似静电电容器是由被介电物质隔开的 两块导电平板材料构成，两极间施加电压时可以储存符号相反的电荷，并能以纳秒级的 脉冲方式很快放出，但其电容量很小，每平方厘米仅为皮至纳法拉级，纯属一种物理电 容器器件的电容（C）为：(1 -1)C = Q =e AV d式中，C为电容（法拉），Q为电量（库仑），V为施加的电压（V），£为介质的介电常 数，A为电极极板的表面积，d为介电层厚度金属电极与电解质溶液接触，来自两者体相的游离电荷（离子和电子）或偶极子在库仑力或其他化学、物理作用下，必然要在电极/溶液介面重新排列关于界面电荷的分 布状态，1853年，德国物理学家Helmholz"］首次提出了双电层模型，认为界面由电极一 侧的单层电子和溶液一侧的单层离子构成，形成的双电层的结构与平板电容器类似，双 电层的厚度d为电解质离子半径电极一侧的过剩电荷密度等于溶液一侧的过剩电荷密 度，电荷密度与双电层产生的界面电位差成正比，即:(1 - 2)单位面积双电层微分电容cd为匕=第=4b(1 - 3)事实上Cd并不是常数，它随电位、电解质浓度而改变，双电层也不能简单地以一个平板 电容器模型表示。

Helmholz模型仅仅考虑了静电引力，而忽略了离子热运动的影响随后 Gony、Chapman、Stern 和 Grahame 对 Helmholz 模型进行了一些改进［12-13］在考虑了 离子的热运动后，认为双电层由内层紧密层和外层分散层构成，双电层电容cdouble由紧 密层电容CH和分散层电容CG串联而成，即:1 1 1(1 - 4)C— — C— + c~- double H G但在较低的电解质溶液中，特别是在界面电位差较大的情况下，分散层电容cg很大，双 电层电容Cdouble近似等于CH因此，双电层电容器可近似以最简单的Helmholz模型来表 示如（1-1）、（1-3）式所示，类似于平板电容器电容的双电层电容与双电层的厚度成反 比在较浓的强电解质溶液中，双电层的厚度仅为几个埃（A），因而利用双电层储存能 量的方式可以获得比常规平板电容器容量大得多的储能器件图1-1示出了双电层电容 器的工作原理US双电层电容器由两个插入电解液中的极化电极构成，极化电极包括活性电极材料（如 活性炭）和集流体，电解液采用固体或液体电解液双电层电容器通常没有正、负极性， 其工作时的电化学过程可以写成：正极：’’•土 ° （1—5）负极：上一'责ZL （1—6）总反应：「• E.…L I 翠亍 "0 • E（1—7）式中Es表示电极表面，〃表示双电层，C+、A-分别表示电解液中的正、负离子。

如图1-1、 式（1-5）和（1-6）所示，对电容器施加不使电解液分解的电压，在极化电极和电解液不 同两相间的极短距离内，电荷重新分布排列，带正电荷的正极会吸引溶液中的负离子， 负极吸引正离子，形成双电层，在电极/电解液界面存储电荷，但电荷不通过界面转移，该过程的电流主要是电荷重排产生的位移电流［15能量以电荷或浓聚的电子存储在电极 表面，充电是电子通过外电源从正极传到负极，同时电解液本体中的正负离子分开并移 动到电极表面：放电时电子通过负载从负极流到正极，正负离子则从电极表面释放并移 动返回电解液本体中'———-CartwE in MmacT wiifi an iifmEledrolyte IonsSimplified elec-lric drcuitIon permeable separatorCurran? Collector-||_•—^WA 01图1-1双电层电容器的示意图（充电状态）Fig.1-1 Scheme of electrochemical capacitors(charging state)根据式（1-3），双电层电容器单电极电容量可表达为:C = \ -^dS4兀d(1 - 8)式中S为形成双电层的电极实际表面。

由于每一单元电容器有两个电极，可视为两个串 连的电容器，故双电层电容器储存的电量Q与电极间的电压V和电容量之间有如下关系:Q = 2 CV （1 - 9）电容量存储的能量E为：E = QV = 1CV 2 （1 -10）2显然，为了使双电层电容器存储更多电荷，要求极化电极具有尽可能大的电解质离子 可及表面积，从而形成更大面积的双电层为不断改善双电层电容器的性能，人们从提 高电容器的电容量、降低等效串联电阻和漏电流出发，研究双电层电容器的电极材料、 电极组成和电解液2.2电化学电容器的特点电化学电容器作为一种新型储能装置，具有以下特点：1、高能量密度电化学电容器比传统电容器（如电解电容器、金属静电电容器等） 的能量密度大10〜100倍，达1〜10Wh/kg能量密度型的电化学电容器的能量密度甚至 达 15 〜20Wh/kg2、 高功率密度电化学电容器的功率密度可以达到10〜100kW/kg，是二次电池的 10〜100倍以上，可以在短时间内放出几百至几千安培的电流，非常适合用于短时间高功 率输出的场合3、 使用寿命长电化学电容器充放电过程发生的电化学反应具有良好的可逆性，其 理论循环寿命为无穷，实际可达到10万次以上，比电池高10〜100倍。

4、 使用温度范围宽电化学电容器可以在一40〜+ 70°C的温度范围内使用，而一般 电池为一20〜+ 60C电化学电容器充放电过程发生的电荷转移大部分都在电极活性物 质表面进行，所有容量随温度衰减非常小而电池在低温下容量衰减幅度却高达70%5、 充电速度快电化学电容器可以采用大电流充电，能在几十秒内完成充电过程 而二次电池则需要数小时完成充电，即使采用快速充电也需要几十分钟6、 放置时间长由于自放电，电化学电容器的电压会随放置时间逐渐降低，但能重 新充电到原来的状态，即使几年不用仍可以保持原来的性能指标7、 免维护由于电化学电容器的使用寿命可高达10万次，可以做到真正意义上的 免维护，非常适合边远哨所、气象观测、灯塔等特殊应用的需要8、 安全环保由于电化学电容器中电极材料主要是炭，而电解液一般采用有机电解 液，对环境不存在重金属污染等问题2.3电化学电容器的结构电化学电容器主要有两种结构类型，即叠片型和卷绕型，下面简要介绍一下这两种 电容器的基本设计特征1)叠片型电化学电容器的基本设计特征图1-2示出了电化学电容器的。