論超級電容器的原理及應(yīng)用

1、論超級電容器的原理及應(yīng)用 摘 要：超級電容器屬于儲能裝置的一種升級版，其憑借著自身使用壽命長、功率密度高、充電迅速、使用溫度寬等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。就超級電容器的原理及應(yīng)用為主要研究對象，探析超級電容器的分類、原理、特點及應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：超級電容器 贗電容器 原理 特點 應(yīng)用 中圖分類號：tm53 文獻標識碼：a 文章編號：1007-3973（2013）008-029-02 超級電容器的發(fā)展始于20世紀60年代，作為一種新型儲能器件，其主要介于傳統(tǒng)電容器與電池間。與傳統(tǒng)電容器比較可得，超級電容器具備電容量大（為2000-6000倍同體積電解電容器）、功率密度高（為10-100倍電池）、充放電電流

2、量大、充放電循環(huán)次數(shù)高（大于105次）、充放電效率高、免維修等優(yōu)點。在本案，筆者以超級電容器為研究對象，探析其原理、應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用效果。 1 超級電容器分類 就電極而言，超級電容器可劃分為貴金屬氧化物電極電容器、碳電極電容器及導電聚合物電容器。 就電能機理而言，超級電容器分為雙電層電容器、法拉第準電容（貴金屬氧化物及貴金屬電極）；電容產(chǎn)生機理是以電活性離子在貴金屬電極表面的欠電位沉積現(xiàn)象或在貴金屬氧化物電極體相及其表面的氧化還原反應(yīng)為依據(jù)的吸附電容。與雙電層電容相比較，吸附電容完全不相同，此外，吸附電容的比電容將隨著電荷傳遞的向前推進而不斷增大。 就超級電容器電極上的反應(yīng)情況及結(jié)構(gòu)而言，超級電

3、容器可劃分為非對稱型及對稱型。對稱型超級電容器即為兩個電極反應(yīng)相同、組成相同、反應(yīng)方向相反，例如貴金屬氧化物、碳電極雙電層電容器等。非對稱型超級電容器即為兩個電極反應(yīng)不同、電極組成不同。 超級電容器可用電壓的最大值取決于電解質(zhì)分解電壓。電解質(zhì)可為強堿、強酸等水溶液，亦或鹽的質(zhì)子惰性溶劑等。通過水溶液體系，超級電容器可獲取高比功率及高容量的最大可用電壓；通過有機溶液體系，超級電容器可獲取高電壓，并獲取高比能量。 2 超級電容器的原理 就存儲電能的機理而言，超級電容器分為贗電容器及雙電層電容器。在本案，筆者就贗電容器及雙電層電容器為研究對象，探析其原理。 2.1 雙電層電容器原理 雙電層電容器屬于

4、一種新型元器件，其能量儲存主要是通過電解質(zhì)與電極間界面雙層得以實現(xiàn)。若電解液與電極間相互接觸，因分子間力、庫倫力及原子間力作用力的存在，其勢必會引起固液界面產(chǎn)生一個雙層電荷，該電荷具備符號相反及穩(wěn)定性強的特點。 雙電層電容器的電極材料主要是多孔碳材料（碳氣凝膠、活性炭纖維及炭粉末等活性炭、碳納米管）。通常情況下，就雙電層電容器的電極材料而言，其孔隙率影響著其容量大小，即電極材料比表面積隨著孔隙率的增高而變大，雙電層電容隨著孔隙率的增高而變大。需要強調(diào)的一點是，孔隙率的增高與電容器的變大間無規(guī)律性可言，但電極材料的孔徑大小卻保持在2-50mm范圍內(nèi)，其對孔隙率的提高、材料有效比表面積的提高及雙電

5、層電容的提高意義至關(guān)重要。 2.2 贗電容器原理 贗電容（法拉第準電容），主要是指在電極材料體相、表面準二維或二維空間內(nèi)，以欠電位沉積電活性物質(zhì)為依托，發(fā)生高度可逆的氧化脫附、化學吸附或還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生一個與電極充電電位間存在一定關(guān)系的電容。因一切反應(yīng)均發(fā)生于整個體相內(nèi)，則其最大電容值相對更大，如：吸附型準電容為2000*10-6f/cm2。就氧化還原型電容器而言，其最大電容量更大。已經(jīng)被公認了的碳材料比容值為20*10-6f/cm2，則在重量級體積相同條件下，贗電容器容量等同于10-100倍雙電層電容器容量?，F(xiàn)階段，贗電容器的電極材料主要是導電聚合物及金屬氧化物。 近年來，超級電容器電極材

6、料新增了導電聚合物。聚合物產(chǎn)品電子電導率極好其電子電導率不典型數(shù)值高度1-100s/cm。以還原反應(yīng)及電化學氧化反應(yīng)為依托，在電子軛聚合物鏈上，導電聚合物引入負電荷及正電荷中心，此時，電極的電勢決定了負電荷及正電荷中心的充電程度。導電聚合物能量存儲的途徑為法拉第過程。現(xiàn)階段，能夠于較高還原電位條件下高穩(wěn)定低發(fā)生電化學n型摻雜的導電聚合物數(shù)量相當少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。 3 超級電容器的特點 3.1 優(yōu)點 （1）容量超高：超級電容器容量范圍處于0.1-6000f，其等同于同體積電解電容器的2000-6000倍。 （2）高功率密度：超級電容器主要提供瞬時大電流，其短時斷流高達幾百

7、至幾千安培，且其功率密度等同于電池的10-100倍，即10*103w/kg。 （3）高充放電效率，長使用壽命：超級電容器充放電過程對電極材料結(jié)構(gòu)無任何負面影響，且電極材料使用次數(shù)對使用壽命無任何負面影響。 （4）溫度范圍寬，即-40-70：溫度對超級電容器電極材料反應(yīng)速率的負面影響程度較輕。 （5）環(huán)保、免維護：超級電容器材料無毒、安全、環(huán)保。 （6）可長時間放置：超級電容器因長時間放置而導致起電壓下降，但只需對其充電便可使其電壓復原，且超級電容器容量性能不會因此受到任何影響。 3.2 缺點 超級電容器的缺點主要是漏電流量大、能量密度低級單體工作電壓低等。 4 超級電容器的應(yīng)用 超級電容器憑借

8、自身眾多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，例如：充當記憶器、計時器、內(nèi)燃機啟動電力；電腦等電子產(chǎn)品；航空；太陽能電池輔助電源；電動玩具車主電源等領(lǐng)域。在本案，筆者就超級電容器于消費電子、電動汽車及混合電動汽車、電力系統(tǒng)級內(nèi)燃機車啟動等四大領(lǐng)域的應(yīng)用展開探討。 4.1 消費電子 超級電容器憑借著自身循環(huán)壽命長、儲能高、質(zhì)量輕等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于微型計算機、存儲器、鐘表及系統(tǒng)主板等備用電源領(lǐng)域。超級電容器的充電時間較短，但充電能量較大。若因主電源接觸不良或中斷等因素而導致系統(tǒng)電壓降低，則超級電容器將起后備補充的作用，以防止儀器因突然斷電而受到損壞。圖1為電路中超級電容器應(yīng)用原理圖。 超級電容器完全可以代

9、替電池而成為新型環(huán)保型小型用電器電源，且數(shù)字鐘、錄音機、電動玩具、照相機及便攜式攝影機等電源都可選取超級電容器，理由是超級電容器具備經(jīng)濟性高及循環(huán)壽命長等優(yōu)點。若將超級電容器與電池聯(lián)用，其使用效果極佳，即允許長期供電、蓄電池容量大、克服超大電流放電相關(guān)局限等。若將超級電容器應(yīng)用于大功率大脈沖電源，尤其是某些無線技術(shù)便攜裝置，其應(yīng)用效果不言而喻。 4.2 電動汽車及混合電動汽車 超級電容器的獨特優(yōu)勢大大滿足了電動汽車對電動電源的需求。相對于超級電容器，傳統(tǒng)動力電池因在快速充電、使用壽命、高功率輸出及寬溫度范圍等方面均存在局限而不能最大程度滿足電動汽車動力電源的需要。就電動車加速、啟動或爬坡等高功

10、率需求環(huán)節(jié)，超級電容器為其提供了極大的方便。如果將超級電容器配合動力電池使用，則電池受到大電流充放電的負面影響將大幅度降低。此外，在再生自動系統(tǒng)的協(xié)助下，可將瞬間能量回收，以提高超級電容器能量利用率。 4.3 電力系統(tǒng) 隨著超級電容器的問世，電解電容器已逐漸被超級電容器所取代。若將超級電容器應(yīng)用到高壓開關(guān)站或變電站硅整流分合閘裝置中，其將發(fā)揮儲能裝置的作用，并能有效地解決電解電容器因漏電流大及儲能低等缺點而引發(fā)的分合閘裝置可靠性降低等缺陷，且能最大化規(guī)避相關(guān)安全事故的發(fā)生。與此同時，若以超級電容器取代電解電容器，其不僅能夠保持原裝置的簡單結(jié)構(gòu)，且能有效地減少電力系統(tǒng)的維護量，并能大幅度降低電力

11、系統(tǒng)運行成本。 超級電容器在分布式電網(wǎng)儲能中的應(yīng)用很廣，且其應(yīng)用效果極佳。分布式電網(wǎng)系統(tǒng)以多組超級電容器為依托，以電場能形式為主要手段，將能量一一儲存起來，并在能量緊缺的情況下，通過控制單元，將能量釋放出來，以此為系統(tǒng)提供足夠的能量，從而確保了系統(tǒng)內(nèi)電能平衡機控制的穩(wěn)定性。 4.4 內(nèi)燃機車啟動 通常情況下，內(nèi)燃機車柴油發(fā)電機組啟動主要依靠蓄電池組。但因蓄電池向外放電所需時間較長，尤其是冬天，其時間要求更是嚴格，則其使用效果不理想，且其經(jīng)濟性及環(huán)保性不高。針對這一點，德國研究人員首先做出了將超級電容器應(yīng)用于汽車啟動上的嘗試，他們試圖通過超級電容器解決怠速汽車因停車導致的能源浪費等問題。實驗結(jié)果顯示，超級電容器蓄電池組質(zhì)量僅為1/3傳統(tǒng)車用