超级电容器基础知识详解.docx

超级电容器是20世纪60年代发展起来的一种新型储能器件，并于80年代逐渐走向市 场自从1957年美国人Becker申报的第一项超级电容器专利以来，超级电容器的发展就 不断推陈出新，直到1983年，日本NEC公司率先将超级电容器推向商业化市场，使得超级 电容器引起人们的广泛兴趣，研究开发热潮席卷全球，不但技术水平日新月异，而且应用范 围也不断扩大一、超级电容器的原理超级电容也称电化学电容，与传统静电电容器不同，主要表现在储存能量的多少上作 为能量的储存或输出装置，其储能的多少表现为电容量的大小根据超级电容器储能的机理， 其原理可分为：1. 在电极P溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列所产生的双电层电容 器双电层理论由19世纪末Helmhotz等提出关于双电层的代表理论和模型有好几种， 其中以H elm h otz模型最为简单且能够充分说明双电层电容器的工作原理该模型认为 金属表面上的静电荷将从溶液中吸收部分不规则的分配离子，使它们在电极P溶液界面的 溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符 号相反的界面层于是，在电极上和溶液中就形成了两个电荷层，这就是我们通常所讲的双 电层。

双电层有储存电能量的作用，电容器的容量可以利用以下公式来计算：式中，£为电容器的储能大小；C为电容器的电容量；V为电容器的工作电压由此可 见，双电层电容器的容量与电极电势和材料本身的属性有关通常为了形成稳定的双电层， 一般采用导电性能良好的极化电极2. 在电极表面或体相中的二维与准二维空间，电活性物质进行欠电位沉积，发生高 度可逆的化学吸附、脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的法拉第准电容器在电活性物质中，随着存在于法拉第电荷传递化学变化的电化学过程的进行，极化电极 上发生欠电位沉积或发生氧化还原反应，充放电行为类似于电容器，而不同于二次电池，不 同之处为：（1） 极化电极上的电压与电量几乎呈线性关系；（2） 当电压与时间成线性关系d V/d t=K时，电容器的充放电电流为一恒定值I=Cd V/d t=CK .此过程为动力学可逆过程，与二次电池不同但与静电类似法拉第电容和双电层 电容的区别在于：双电层电容在充电过程中需要消耗电解液，而法拉第电容在整个充放电过 程中电解液的浓度保持相对稳定法拉第准电容不仅在电极表面产生，而且还可以在电极内部产生，其最大充放电能力由 电活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制，因此可以在短时间内进行电荷转移，即可 以获得更高的比功率（比功率大于500W /kg）。

二、超级电容器的特点超级电容器具有优良的脉冲充放电和大容量储能性能，单体容量已经达到万法拉级是一 种介于静电电容器与电池之间的储能元件与普通电容器和电池相比，超级电容器具有许多 电池无法比拟的优点1. 具有极高的功率密度电容器的功率密度为电池的10~100倍，可达到10kW/kg左 右，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流这个特点使得超级电容器非常适合用于短 时间高功率输出的场合2. 充电速度快超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或是电极物质表面的快 速、可逆的化学过程，可采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意 义上的快速充电而蓄电池则需要数小时完成充电，采用快速充电也需要几十分钟3. 使用寿命长超级电容器充放电过程中发生的电化学反应都具有良好的可逆性， 不易出现类似电池中活性物质那样的晶型转变、脱落、枝晶穿透隔膜等一系列的寿命终止现 象，碳极电容器理论循环寿命为无穷大，实际可达100000次以上，比电池高10 ~100倍4. 低温性能优越超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质 表面进行，所以容量随温度衰减非常小电池在低温下容量衰减幅度却可高达70%。

三、超级电容器的分类超级电容的分类有许多不同的方式按采用的电极不同，超级电容可以分为以下3种：1. 碳电极电容器：碳电极电容器的研究历史较长19 62年，标准石油公司（SOH IO） 认识到燃料电池中石墨电极表面双层电容的巨大利用价值，并生产出了工作电压为6V的以 碳材料作为电极的电容器电容器的大小和汽车蓄电池的大小差不多，可以驱动小舟在湖面 上行驶十分钟左右稍后，这项技术转让给了日本NEC电气公司，该公司从19 79年开始一 直生产超级电容器，并将这项技术应用于电动汽车的电机启动系统，开始了电化学电容器的 大规模商业应用与此同时，日本松下公司设计了以活性炭为电极材料，以有机溶液为电解 质的超级电容器碳电极电容器的电容大小与电极的极化电位及电极表面积大小有关，故可以通过极化 电位的升高和增大电极表面积达到提高电容量的目的电极P电解质双电层上可贮存的电量 其典型值约为15~40 uF・cm - 2.选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电 容对理想可极化体系而言，可通过无限提高充电电压而大量储存能量但是，对于实际体 系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制，可通过加大电极表 面积来增加电容值。

电容C可由下式给出：式中：80为自由空间的绝对介电常数，8为电导体和内部H elmhotz面间区域 的相对介电常数，A为电极表面积，d为导体与内H elmhotz面之间的距离近年来研究 主要集中在提高碳材料的表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布，并开发出许多不同类型的 碳材料，主要有：活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管等2. 贵金属氧化物电极电容器：对贵金属氧化物电极电容器的研究，主要采用RuO2, IrO2等贵金属氧化物作为电极材料由于电极的导电性比碳电极好，电极在硫酸中稳定，可 以获得更高的比能量，制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能，因此具有很好的发展 前景但是，由于RuO2贵金属的资源有限、价格昂贵限制了它的使用以RuO2・nH2O无 定型水合物作电极，5.3mol・L-1H2SO4作电解液所制得的电容器比电容能达到700F・g- 1; 而以无定型水合物MnO2・nH2O作电极，2m ol・L- 1KC1水溶液作电解液所制得的电容器比 电容也可达到200F・g-1.但比较而言，因为在中性KCl水溶液中材料比较稳定，不发生化 学副反应，以KCl水溶液作电解液适用于多种电极材料。

以RuO2作为电极材料的研究主要 集中在电极制备方法上3. 导电聚合物电极电容器：导电聚合物电极电容器作为一种新型的电化学电容器， 具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能可通过设计选择相应聚合物的结构，进 一步提高聚合物的性能，从而提高电容器的性能导电聚合物电极电容器可分为3种类型:对称结构一电容器中两电极为相同的可p型掺 杂的导电聚合物（如聚唾吩）；不对称结构一两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料 （如聚毗咯和聚噻吩）；导电聚合物可以进行p型和n型掺杂，充电时电容器的一个电极是 n型掺杂状态而另一个电极是p型掺杂状态，放电后都是去掺杂状态，这种导电聚合物电极 电容器可提高电容电压到3V，而两电极的聚合物分别为n型掺杂和p型掺杂时，电容器在 充放电时能充分利用溶液中的阴阳离子，结果它具有很类似蓄电池的放电特征，因此被认为 是最有发展前景的电化学电容器研究工作主要集中在寻找具有优良掺杂性能的导电聚合 物，提高聚合物电极的放电性能、循环寿命和热稳定等方面按储存电能的机理，超级电容器可分为以下2种:一种是“双电层电容器”，其电容的产生主要基于电极P电解液上电荷分离所产生的双 电层电容，如碳电极电容器；另一种则被称为“法拉第准电容”，由贵金属和贵金属氧化物 电极等组成，其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积，或在贵金 属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容，该类电容的产生机制与 双电层电容不同，并伴随电荷传递过程的发生，通常具有更大的比电容。

根据超级电容器的结构及电极上发生反应，又可分为以下2种如果两个电极的组成相同 且电极反应相同，反应方向相反，则被称为对称型碳电极双电层电容器，贵金属氧化物电 容器即为对称型电容器如果两电极组成不同或反应不同，则被称为非对称型，由可以进行 n型和p型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器，其性能表现形式更接近 蓄电池，表现出更高的比能量和比功率根据超级电容器的电解质来分，又可分为以下2种：超级电容器的最大可用电压由电解质的分解电压所决定电解质可以是水溶液（如强酸 或强碱溶液）也可是有机溶液（如盐的质子惰性溶剂溶液）用水溶液体系可获得高容量及 高比功率（因为水溶液电解质电阻较非水溶液电解质低，水溶液电解质电导为10-广10- 2S・cm - 1，而非水溶液体系电导则为10- 3~10- 4S・cm - 1）选用有机溶液体系则可获得 高电压（因为其电解质分解电压比水溶液的高，有机溶液分解电压约3.5V，水溶液则为1.2V）， 从而也可获得高的比能量四、超级电容的应用超级电容器产品虽然问世不久而且相对较少，但由于它具有特殊的优点，在许多领域获 得应用，其前景是十分光明的混合型电动车的加速或启动电源由Maxwell Technolog ies公司生产的Power Cache超级电容器，已由通用汽车公司 AllisONTransm ission Division组成并联混合电源系统和串联电源系统用在货车和汽车 上。

Allison期望Maxwell超级电容有6年以上的使用寿命跟相应的蓄电池组比起来，超 级电容的储能装置重量只有前者的1/3,体积只有前者的1/2.ISE Resarch - Th und er Volt公司也将Parer Cach e超级电容器用于其新开发的重 型混合电力推进系统Th und er Pack.该系统是将149个Maxwell的PC2500超级电容器装到 一个用风扇冷却的铝套内每个贮能堆可以贮存或释放150kW的电力，双连体可达到300kW， 完全满足了大型汽车或卡车加速时的需求第一个Th und er堆交给拉斯维加斯的Nevada 大学做混合动力车试验将蓄电池与超级电容结合起来，他们的优点可以互补，成为一个极佳的贮能系统Maxwell公司和Exid e公司联合开发这一组合系统，用于卡车低温起动、中型和重型卡车、 陆上和地下的军事用车，它在大电流以及高低温条件下工作，都会有很长的寿命优秀的贮能装置现有超级电容器产品，它不仅已经用作光电功能电子表和计算机贮存器等小型装置电 源，而且还可以用于固定电站在边远缺电地区，超级电功容器可以和风力发电装置或太阳 能电池组成混合电源，使无风或夜间也可以提供足够的电源。

卫星上使用的电源多是由太阳 能电池与镉镍电池组成的混合电源，一旦装上了超级电容器，那么卫星的脉冲通讯能力一定 会得到改善此外，由于它具有快速充电的特性，那么相对于电动玩具这种需要快速充电的 设备来说，无疑是一个理想电源USP系统和应急电源当今的USP系统大多使用铅蓄电池作为电能存储装置由于它的充电接受能力远不如超 级电容器，在频繁停电的情况下使用时，就会因为长期充电不足而使电池硫酸盐化，从而缩 短使用寿命超级电容器可以在数分钟之内充足电，就完全不会受频繁停电的影响此外，在某些特 殊情况下，超级电容器的高功率密度输出特性，会使它成为良好的应急电源例如在炼钢厂 的高炉冷却水是不允许中断的，都备有应急水泵电源一旦停电，超级电容器可以立即提供 很高的输出功率启动柴油发电机组，向高炉和水泵供电，确保高炉安全生产军事领域大有作为美国军方对超级电容器用于重型卡车、装甲运兵车及坦克很感兴趣°Maxwell公司正在 向Osh kosh汽车公司提供的PowerCach e超级电容器，为美国军方制造H EMTT LM。