超级电容（电化学元件）

超级电容（电化学元件）

超级电容 （电化学元件） 次浏览 | 2022.05.31 07:28:37 更新 来源 ：互联网 精选百科 本文由作者推荐 超级电容电化学元件

超级电容，又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。

不同于传统的化学电源，超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

中文名

超级电容

外文名

Supercapacitors

别称

电化学电容器（Electrochemical Capacitors），双电层电容器（Electrical Doul）

原理

利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量

特点

充电速度快、寿命长等

应用

汽车领域等

简介

超级电容器(Supercapacitors)，又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法拉。与传统电容器相比，它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。因此可以说，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置。[1]

分类及工作原理

基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。

根据储能机理的不同可以分为以下两类：

1、双电层电容

是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。

对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层；当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。

这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

2、法拉第准电容

理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容；对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。

当电解液中的离子（如H+、OH-、K+或Li+）在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中；放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。

特点

1、充电速度快，充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上；

2、循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；

3、大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；

4、功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；

5、产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；

6、充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；

7、超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；

8、检测方便，剩余电量可直接读出；

9、容量范围通常0.1F~1000F 。

优点

1、很小的体积下达到法拉级的电容量；

2、无须特别的充电电路和控制放电电路；

3、和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；

4、从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；

5、超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题；

缺点

1、如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；

2、和铝电解电容器相比，内阻较大，因而不可以用于交流电路。

单位介绍

法拉（farad），简称“法”，符号是F；

1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V；

1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A·S；

1库仑=1安培·秒；

1法拉=1安培·秒/伏特；

电瓶（蓄电池）12伏14安时的放电量=14*3600*1/12=4200 法拉(F)，（注：12伏14安时电瓶是由2v14安时6块串联来的，如果改成6快并联，就等于2v84安时，转换为1v就是168安时），地球的电容值仅有1-2F左右。

超级所在

超级电容器之所以称之为“超级”的原因：

1、超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

2、超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。

3、传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。

4、超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的，该距离（<10 Å）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。

5、庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。

放电控制控制超级电容的放电

超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数τ在1~2s，完全给阻-容式电路放电大约需要5τ，也就是说如果短路放电大约需要5~10s（由于电极的特殊结构它们实际上得花上数个小时才能将残留的电荷完全放干净）。

放电的控制时间

超级电容器可以快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制，甚至短路也不是致命的。实际上决定于电容器单体大小，对于匹配负载，小单体可放10A，大单体可放1000A。另一放电率的限制条件是热，反复地以剧烈的速率放电将使电容器温度升高，最终导致断路。

使用注意

1、超级电容器具有固定的极性。使用前应确认极性。

2、应在标称电压下使用。，当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。

3、不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。

4、外部环境温度对使用寿命有着重要影响，电容器应尽量远离热源。

5、被用做后备电源时的电压降，于超级电容器具有内阻较大的特点，在放电的瞬间存在电压降ΔV=IR。

6、不可处于相对湿度大于85%或含有有毒气体的场所，这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀，导致断路。

7、不能置于高温、高湿的环境中，应在温度-30+50℃、相对湿度小于60%的环境下储存，避免温度骤升骤降，否则会导致损坏。

8、用于双面电路板上时连接处不可经过电容器可触及的地方，由于超级电容器的安装方式，会导致短路现象。

9、当把电容器焊接在线路板上，不可将电容器壳体接触到线路板上，否则焊接物会渗入至电容器穿线孔内，对电容器性能产生影响。

10、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，否则会导致电容器引线松动，导致性能劣化。

11、在焊接过程中避免使电容器过热，若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的使用寿命，例如：如果使用厚度为1.6mm的印刷线路板，焊接过程应为260℃，时间不超过5s。

12、在电容器经过焊接后，线路板及电容器需要经过清洗，因为某些杂质可能会导致电容器短路。

13、将电容器串联使用，由于工艺原因，单极超级电容器的额定工作电压一般在2.8V左右，所以大多情况下必须串联使用。

由于串联回路每个单体容量很难保证100%相同，也很难保证每个单体漏电也相同，这样就会导致串联回路的每个单体充电电压不同，可能会导致电容器过压损坏，因此，超级电容器串联必须附加均压电路。

当超级电容器进行串联使用时，存在单体间的电压均衡问题，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响，故在电容器进行串联使用时，需得到厂家的技术支持。

超级电容与蓄电池性能比较蓄电池的不足

电动汽车动力源蓄电池在加速或爬坡时要进行大电流放电；减速或下坡时要快速充电实现制动能量回收，要求蓄电池具有优良的倍率、快速充放电特性和使用寿命长且性能稳定，而对蓄电池实行大电流充放电将使其寿命大大缩短，同时由于电动汽车放置蓄电池的空间有限，布置非常紧凑，热量易积累，使得蓄电池暴露在高温环境中造成高温失效。

尽管针对电动汽车所使用的铅酸蓄电池做了许多改进，但是其在高温时性能恶化快、寿命短、充放电效率低已经成为电动汽车发展的难题之一。

超级电容器的优势

超级电容器也称电化学电容器，因其存储能量大，质量轻，可多次充放电而成为一种新型的储能装置。

超级电容器有以下优势：

1、电容量大。

超级电容器采用活性炭粉与活性碳纤维作为可极化电极，与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大，则电容量越大；因此，一般双电层电容器的容量很容易超过IF，超级电容的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3～4个数量级。

2、充放电寿命很长。

超级电容器充放电寿命可达500000次或90000h，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次；超级电容器可以提供很高的放电电流，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。

3、快速充放电。

可以从数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的。

4、很宽的工作温度范围。

蓄电池很难在高低温，特别是低温环境下工作；超级电容器用的材料是安全和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性。

5. 超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压措施后，还可以串联使用。

尽管有在能量存储上的优势，但超级电容器还是不能和电化学蓄电池相比，即使是铅酸蓄电池也能比超级电容器多存储10倍以上的能量。

应用产品汽车领域

在汽车工业中，智能启停控制系统（轻型混合动力系统）的应用为超级电容器提供了广阔的舞台，在插电式混合动力汽车上的表现尤为突出。

由于电动汽车频繁启动和停车，使得蓄电池的放电过程变化很大，在正常行驶时，电动汽车从蓄电池中汲取的平均功率相当低，而加速和爬坡时的峰值又相当高。

在现有的电动汽车电池技术条件下，蓄电池必须在比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间做出平衡，而难以在一套能源系统上同时追求高比能量、高比功率和长寿命。

为了解决电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾，可以考虑采用两套能源系统，其中由主能源提高最佳的续驶里程，而由辅助能源在加速和爬坡时提供短时的辅助动力；辅助能源系统的能量可以直接取自主能源，也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再生的动能，选用超级电容做辅助能。

短期内，超级电容极低的比能量使其不可能被单独用作电动汽车能源系统，但用做辅助能量源具有显著优点，在电动汽车上使用的最佳组合为电池——超级电容混合能量系统，对电池的比能量和比功率要求分开。

超级电容具有负载均衡作用，电池的放电电流减少使用电池的可利用能量、使用寿命得到显著提高；与电池相比，超级电容可以迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能；超级电容的早和均衡和能量回收作用使车辆的续驶里程得到极大的提高；但系统要对电池、超级电容、电动机和功率逆变器等做综合控制和优化匹配，功率变换器及其控制器的设计应用充分考虑电动机和超级电容之间的匹配。

其他领域

超级电容器三十多年的发展历程中微型超级电容器已经在小型机械设备上得到广泛应用，例如电脑内存系统、照相机、音频设备和间歇性用电的辅助设施。而大尺寸的柱状超级电容器则多被用于汽车领域和自然能源采集上。就未来十年的发展而言，超级电容器将是运输行业和自然能源采集的重要组成部分。

1、大尺寸超级电容器（125伏）可用在火车和地铁的刹车制动系统上，亦可为物料搬运工程车提供能量输出；中等尺寸超级电容器（75伏）可用在太阳能能量收集方面，因为其具备可在高温下工作的特性；48V超级电容器应用于汽车；小尺寸超级电容器（2.7伏之内）则对通讯设施的持续供电和电脑内存系统储存后备电源等有极大贡献。

2、超级电容器的低阻抗对于当今许多高功率应用是必不可少的。对于快速充放电，超级电容器小的ESR意味着更大的功率输出，几秒钟充电，几分钟放电。例如电动工具、电动玩具；

3、在UPS系统中，超级电容器提供瞬时功率输出，作为发动机或其它不间断系统的备用电源的补充；

4、当公共汽车从一种动力源切换到另一动力源时的功率支持；

5、小电流，长时间持续放电，例如计算机存储器后备电源；

6、瞬时功率脉冲应用，重要存储、记忆系统的短时间功率支持。

在自然能源采集领域里，风力发电工作流程离不开液压系统或电池。因为发电机的扇叶每次停下时，内部的涡轮机就会将扇叶调整到指定位置，这个过程在风力发电中被称为变浆距控制系统，运作过程中所需的电能由液压系统或电池来提供。

对于电池来说，间歇性工作强度大，再加上常年的负荷，会导致自身使用寿命大打折扣，为此每隔几年就会对每一个风力发电机进行一次“高空作业”，电池的维修和更换也是一笔不小的费用。

大功率超级电容器利用其充放电快，循环寿命长的特点，可以代替电池胜任此工作，虽然前期投入成本高，但是相比频繁维护和更换电池，费用还更低廉一些，同时还可降低工作强度，现在来说超级电容器还没有作为炙手可热的辅助设备渗透进这个能量网络。

参考资料