论超级电容器的原理及应用

论超级电容器的原理及应用　口倪晖　（福建火炬电子科技股份有限公司　福建・泉州　３６２０１３）　摘要：超级电容器属于储能装置的一种升级版，其凭借着自身使用寿命长、功率密度高、充电迅速、使用温度宽　等优点而被广泛应用。就超级电容器的原理及应用为主要研究对象，探析超级电容器的分类、原理、特点及应用。　关键词：超级电容器赝电容器原理特点应用　中图分类号：ＴＭ５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７．３９７３（２０１３）００８－０２９－０２　超级电容器的发展始于２Ｏ世纪６０年代，作为一种新型　势必会引起固液界面产生一个双层电荷，该电荷具备符号相　储能器件，其主要介于传统电容器与电池间。与传统电容器　反及稳定性强的特点。　比较可得，超级电容器具备电容量大（为２０００－６０００倍同体积　双电层电容器的电极材料主要是多孔碳材料（碳气凝胶、　龟解电容器）、功率密度高（为１０．１００倍电池）、充放电电流量　活性炭纤维及炭粉末等活性炭、碳纳米管）。通常情况下，就　大、充放电循环次数高（大于１０　次）、充放电效率高、免维修等　双电层电容器的电极材料而言，其孔隙率影响着其容量大小，　优点。在本案，笔者以超级电容器为研究对象，探析其原理、　即电极材料比表面积随着孔隙率的增高而变大，双电层电容　应用领域及应用效果。　随着孔隙率的增高而变大。需要强调的一点是，孔隙率的增　１超级电容器分类　高与电容器的变大问无规律性可言，但电极材料的孔径大小　就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电　却保持在２－５０ｒａｍ范围内，其对孔隙率的提高、材料有效比表　容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。　面积的提高及双电层电容的提高意义至关重要。　就电能机理而言，超级电容器分为双电层电容器、法拉第　２．２赝电容器原理　准电容（贵金属氧化物及贵金属电极）；电容产生机理是以电活　赝电容（法拉第准电容），主要是指在电极材料体相、表面　性离子在贵金属电极表面的欠电位沉积现象或在贵金属氧化　准二维或二维空问内，以欠电位沉积电活性物质为依托，发生　物电极体相及其表面的氧化还原反应为依据的吸附电容。与　高度可逆的氧化脱附、化学吸附或还原反应，从而产生一个与　双电层电容相比较，吸附电容完全不相同，此外，吸附电容的　电极充电电位间存在一定关系的电容。因一切反应均发生于　比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。　整个体相内，则其最大电容值相对更大，如：吸附型准电容为　就超级电容器电极上的反应情况及结构而言，超级电容　２０００＊１０　Ｆ／ｃｒｎ２。就氧化还原型电容器而言，其最大电容量更　器可划分为非对称型及对称型。对称型超级电容器即为两个　大。已经被公认了的碳材料比容值为２０＊１０　Ｆ／ｃｍ２，则在重量　电极反应相同、组成相同、反应方向相反，例如贵金属氧化物、　级体积相同条件下，赝电容器容量等同于１０．１００倍双电层电　碳电极双电层电容器等。非对称型超级电容器即为两个电极　容器容量。现阶段，赝电容器的电极材料主要是导电聚合物　反应不同、电极组成不同。　及金属氧化物。　超级电容器可用电压的最大值取决于电解质分解电压。　金属氧化物超级电容器的电极材料以过渡金属氧化物为　电解质可为强碱、强酸等水溶液，亦或盐的质子惰性溶剂等。　主，例如：Ｖ２０，、ＭｎＯ２、ＩｒＯ２、ＷＯ３、ＮｉＯ、ＲｕＯ２、Ｃｏ，ｏｄ等。金属氧　通过水溶液体系，超级电容器可获取高比功率及高容量的最　化物在超级电容器电极中的应用效果最佳，就Ｈ。ＳＯ　电解液内　大可用电压；通过有机溶液体系，超级电容器可获取高电压，　而言，金属氧化物比容能高达７００．７６０Ｆ／ｇ。但是，因ＲｕＯ：资源　并获取高比能量。　稀有、价格昂贵，则其在超级电容器中的应用受到极大的限制。　２超级电容器的原理　随着技术的发展及相关研究的深入，科研人员正在试图从ＮｉＯ　就存储电能的机理而言，超级电容器分为赝电容器及双　及Ｍｎ（）２等价格低廉的金属氧化物内提取出能够取代ＲｕＯ：的　电层电容器。在本案，笔者就赝电容器及双电层电容器为研　电极材料。　究对象，探析其原理。　近年来，超级电容器电极材料新增了导电聚合物。聚合　２．１双电层电容器原理　物产品电子电导率极好其电子电导率不典型数值高度１－１００Ｓ／　双电层电容器属于一种新型元器件，其能量储存主要是　ｃｍ。以还原反应及电化学氧化反应为依托，在屯子轭聚合物　通过电解质与电极间界面双层得以实现。若电解液与电极间　链上，导电聚合物引入负电荷及正电荷中心，此时，电极的电　相互接触，因分子间力、库伦力及原子间力作用力的存在，其　势决定了负电荷及正电荷中心的充电程度。导电聚合物能量　——斟ｍ论坛・２０１３年第８期（下）——　存储的途径为法拉第过程。现阶段，能够于较高还原电位条　机等电源都可选取超级电容器，理由是超级电容器具备经济　件下高稳定低发生电化学ｎ型掺杂的导电聚合物数量相当少，　性高及循环寿命长等优点。若将超级电容器与电池联用，其　例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。　使用效果极佳，即允许长期供电、蓄电池容量大、克服超大电　流放电相关局限等。若将超级电容器应用于大功率大脉冲电　３超级电容器的特点　３．１优点　源，尤其是某些无线技术便携装置，其应用效果不言而喻。　超级电容器的独特优势大大满足了电动汽车对电动电源　（１）容量超高：超级电容器容量范围处于０．１－６０００Ｆ，其等　４．２电动汽车及混合电动汽车　同于同体积电解电容器的２０００．６０００倍。　（２）高功率密度：超级电容器主要提供瞬时大电流，其短时　的需求。相对于超级电容器，传统动力电池因在快速充电、使　断流高达几百至几千安培，且其功率密度等同于电池的１０．１００　用寿命、高功率输出及宽温度范围等方面均存在局限而不能　倍，即１０　ｌ０３Ｗ／ｋｇ。　最大程度满足电动汽车动力电源的需要。就电动车加速、启　（３）高充放电效率，长使用寿命：超级电容器充放电过程对　动或爬坡等高功率需求环节，超级电容器为其提供了极大的　电极材料结构无任何负面影响，且电极材料使用次数对使用　方便。如果将超级电容器配合动力电池使用，则电池受到大　寿命无任何负面影响。　电流充放电的负面影响将大幅度降低。此外，在再生自动系　（４）温度范围宽，即－４Ｏ．７Ｏ℃：温度对超级电容器电极材料　统的协助下，可将瞬间能量回收，以提高超级电容器能量利用　反应速率的负面影响程度较轻。　率。　（５）环保、免维护：超级电容器材料无毒、安全、环保。　４．３电力系统　（６）可长时间放置：超级电容器因长时间放置而导致起电　随着超级电容器的问世，电解电容器已逐渐被超级电容　压下降，但只需对其充电便可使其电压复原，且超级电容器容　器所取代。若将超级电容器应用到高压开关站或变电站硅整　量性能不会因此受到任何影响。　流分合闸装置中，其将发挥储能装置的作用，并能有效地解决　３．２缺点　电解电容器因漏电流大及储能低等缺点而引发的分合闸装置　超级电容器的缺点主要是漏电流量大、能量密度低级单　可靠性降低等缺陷，且能最大化规避相关安全事故的发生。与　体工作电压低等。　此同时，若以超级电容器取代电解电容器，其不仅能够保持原　４超级电容器的应用　装置的简单结构，且能有效地减少电力系统的维护量，并能大　超级电容器凭借自身众多优点而被广泛应用于各行各业，　幅度降低电力系统运行成本。　例如：充当记忆器、计时器、内燃机启动电力；电脑等电子产品；　超级电容器在分布式电网储能中的应用很广，且其应用　航空；太阳能电池辅助电源；电动玩具车主电源等领域。在本　效果极佳。分布式电网系统以多组超级电容器为依托，以电　案，笔者就超级电容器于消费电子、电动汽车及混合电动汽车、　场能形式为主要手段，将能量一一储存起来，并在能量紧缺的　电力系统级内燃机车启动等四大领域的应用展开探讨。　情况下，通过控制单元，将能量释放出来，以此为系统提供足　４．Ｉ消费电子　够的能量，从而确保了系统内电能平衡机控制的稳定性。　超级电容器凭借若自身循环寿命长、储能高、质量轻等优　４．４内燃机车启动　点而被广泛应用于微型计算机、存储器、钟表及系统主板等备　通常情况下，内燃机车柴油发电机组启动主要依靠蓄电　用电源领域。超级电容器的充电时间较短，但充电能量较大。　池组。但因蓄电池向外放电所需时间较长，尤其是冬天，其时　若因主电源接触不良或中断等因素而导致系统电压降低，则　间要求更是严格，则其使用效果不理想，且其经济性及环保性　超级电容器将起后备补充的作用，以防止仪器因突然断电而　不高。针对这一点，德国研究人员首先做出了将超级电容器　受到损坏。图１为电路中超级电容器应用原理图。　应用于汽车启动上的尝试，他们试图通过超级电容器解决怠　速汽车因停车导致的能源浪费等问题。实验结果显示，超级　电容器蓄电池组质量仅为ｌ，３传统车用蓄电池组，但其实现了　将启动机启动扭矩提高ｌ／２，从而有效地增加了内燃机车启动　（ａ）与电泡联粥作为备孀电源　转速。　５结束语　电　综上所述，超级电容器均被广泛应用于电力系统、内燃机　整流器　车启动、消费电子及电动汽车及混合电动汽车等众多领域，且　图ｌ超级电容器应用原理图　其应用效果极其理想。超级电容器有效地填补了传统化学电　超级电容器完全可以代替电池而成为新型环保型小型用　源与静电电容器间的缺陷。由此可见，超级电容器具备广阔　电器电源，且数字钟、录音机、电动玩具、照相机及便携式摄影　的研究价值及应用前景。　——斟协论Ｉ云・２０１３年第８期（下）——