超级电容器的原理及应用

到明显提高，启动时间由原来１０ ｍｉｎ缩短到１０ ｓ。
Ｎｉｓｓａｎ也设计了一款基于超级电容器的城市公交巴
命、充放电效率高等特点，引起了世界广泛关注．综述了超级电容器的原理、分类及特点，介绍了超级电容器的主要
应用领域和发展趋势．
关键词：电子技术；超级电容器；综述；原理：应用
中图分类号：ＴＭ５３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１．２０２８（２００８）０４－０１Ｘ１６－０４
Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ
１超级电容器的历史
如图ｌ所示，超级电容器有多种外观形式。超 级电容器也有其它的名称，如：电化学电容器
（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ，ＥＣ）、超大容量电容器 （Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ）等。
超级电容器储能机理在１８７９年由Ｈｅｌｍｈｏｌｚ发 现，但利用这个原理将大量的电能存储在物质表面， 像电池一样用于实际目的的人是Ｂｅｃｋｅｒ【５】。随后，美 国Ｓｏｈｉｏ公司开始利用基于高比表面的碳材料的双层 电容器。Ｃｏｎｗａｙ于１９７５＂－＇１９８１年间开发了另—种类型的
ｔ
Ｆ
Ｑ
℃
５Hale Waihona Puke Baidu
０．５
√幻～＋８５
７０
Ｏ．１
－２５～枷
ＥＬｌＴ
１２ＰＰ一５０
１２
Ｍａｘｗｅｌｌ ＢＭＯＤ００１８—３９００
３９０
Ｐｏｗｅｔｓｔｏｔ ＰＭ５ＲｏＶ３０５一Ｒ
５．０
７０５ １７．８
３
０．００ｌ ０．０６５ Ｏ．０５
－５０～＋８０ Ｊ加～＋６５ √１０～＋６０
４．１消费电子
超级电容器储能高、循环寿命长、质量轻，可用 做存储器、微型计算机、系统主板和钟表等的备用电
发，使电脑在低温下的效率提高了两倍，即使拿掉电 池，也可以持续使用５ ｍｉｎ。超级电容器适用于大功率
大脉冲电源上，特别是那些使用无线技术的便携装置，
像便携计算机、采用ＧＳＭ和ＧＰＲＳ无线通信的掌上型
装置。
４．２电动汽车和混合电动汽车 电动汽车对动力电源的要求引起了世界范围对超
级电容器这一新型储能装置的广泛重视。传统动力电
作为小型用电器电源，电动玩具【１２１、数字钟、照相机、
录音机、便携式摄影机等均可能采用超级电容器作为 电源。而且超级电容器的循环寿命长，比采用电池作
为电源要合算。超级电容器还可以与电池联用，既可
发挥蓄电池容量大、可长期供电的优点，还可消除因
蓄电池内阻较大，不能超大电流放电的缺点。Ｃａｐ— ＸＸ公司对应用于笔记本电脑的超级电容器进行了开
对超级电容器的研究始于９０年代后期。尽管国内在超
级电容器领域的研究和开发的起步较晚，但发展势头
不容忽视。
２超级电容器的原理
根据存储电能的机理不同，超级电容器可分为双 电层电容器（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ，ＥＤＬＣ）和 赝电容器（Ｐｅｓｕｄｏｅａｐａｃｉｔｏｒ）。 ２．１双电层电容器原理
用导电聚合物作为超级电容器的电极材料是近年 来发展起来的。聚合物产品具有良好的电子电导率， 其典型的数值为ｌ～１００ Ｓ／ｃｍ。～般将共轭聚合物的电 导性与掺杂半导体进行比较，采用术语“Ｐ掺杂”和“ｎ 掺杂”分别用于描述电化学氧化和还原的结果。导电聚 合物借助于电化学氧化和还原反应在电子共轭聚合物 链上引入正电荷和负电荷中心，正、负电荷中心的充 电程度取决于电极电势【９】。导电聚合物也是通过法拉 第过程大量存储能量。目前仅有有限的导电聚合物可 以在较高的还原电位下稳定地进行电化学ｎ型掺杂，如 聚乙炔、聚毗咯、聚苯胺、聚噻吩等。现阶段的研究 工作主要集中在寻找具有优良的掺杂性能的导电聚合 物，提高聚合物电极的充放电性能、循环寿命和热稳 定性等方面。
“准电容砷瞬。日本ＮＥＣ
公司也从１９７９年开始一直
生产Ｓｕｐｅｘａｐａｃｉｔｏｒ，并将该 技术应用于电动汽车的
电池启动系统，开始了超
级电容器的大规模商业
图ｌ超级电容器的多种外观形式 Ｆｉｌｌ Ａｐｐｅａｒａｎｃｅｓ ｏｆｓｕｌｍｅａｐａｃｉｔｏｒｓ
应用。 在２０世纪８０年代初
我国学者就注意到了双电层电容器的研究【７．８ｌ，但国内
（６）免维护，环境友善。超级电容器用的材料是 安全、无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池用的材料 具有毒性。
超级电容器的不足之处表现为能量密度偏低，漏 电流较大，单体工作电压低。水系电解液超级电容器 单体的工作电压只有ｌ Ｖ左右，要通过多个电容器单体 的串联才能得到较高的工作电压。而多单体电容器串 联对电容器单体的一致性要求很高。非水系电解液超 级电容器单体的工作电压高一点，可以达到３．５ Ｖ。但 非水系电解液要求有高纯度、无水等很苛刻的条件。
（３）充放电效率高，超长寿命。超级电容器的充 放电过程通常不会对电极材料的结构产生影响，材料 的使用寿命不受循环次数的影响，充放电循环次数在 １０５以上。
（４）放置时间长。长时间放置超级电容器的电压 会下降，再次充电可以充到原来的电位，对超级电容 器的容量性能无影响。
（５）温度范围宽，达－４０～＋７０℃。超级电容器 电极材料的反应速率受温度影响不大。
赝电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面 或体相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附，脱附或氧化／还原 反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于反应在 整个体相中进行，因而这种体系可实现的最大电容值 比较大，如吸附型准电容为２ ０００×１０。６Ｆ／ｃｍ２。对氧化 还原型电容器而言，可实现的最大容量值则非常大【９】， 而碳材料的比容通常被认为是２０Ｘ １０－－６Ｆ／ｃｍ２，因而在 相同的体积或重量的情况下，赝电容器的容量是双电 层电容器容量的１０－～１００倍。目前赝电容电极材料主 要为一些金属氧化物和导电聚合物。
双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面 双层来存储能量的新型元器件，当电极与电解液接触肘，
收稿日期：２００７．１２．２９
通讯作者：邓梅根
基金项目：江西省自然科学基金资助项目（Ｎｏ．０６５００２８）ｓ江西省教削亍科技基金资助项目（赣教技字［２００７１２７６号）
作者简介：邓梅根（１９７４一），男，江西吉安人。副教授．主要从事新型电子材料与元器件研究．Ｔｅｌ：（０７９１）３８９１２９４ｔ Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｍｅｉｇｅｎ＠１６３．ｃｏｍ．
金属氧化物超级电容器所用的电极材料主要是一 些过渡金属氧化物，如：Ｍｎ０２、Ｖ２０５、Ｒｕ０２、Ｉｒ０２、 ＮｉＯ、Ｈ３ＰＭｏｌ２０４０、Ｗ０３、Ｐｂ０２和Ｃ０３０４等【ｍ】。金属 氧化物作为超级电容器电极材料研究最为成功的是 Ｒｕ０２，在Ｈ２Ｓ０４电解液中其比容能达到７００～７６０ Ｆ／ｇ。 但Ｒｕ０２稀有的资源及高昂的价格限制了它的应用。研 究人员希望能从Ｍｎ０２及ＮｉＯ等贱金属氧化物中找到 电化学性能优越的电极材料以代替Ｒｕ０２。
３超级电容器的特点‘１１】
超级电容器作为一种新型的储能元件，具有如下 万方数据
优点： （１）超高的容量。超级电容器的容量范围为
０．１—６ ０００Ｆ，比同锌积的电解电容．器容量大２ ０００＂＂６ ０００ 倍。
（２）功率密度高。超级电容器能提供瞬时的大电 流，在短时间内电流可以达到几百到几千安培，其功 率密度是电池的１０＂＇１００倍，可达到ｌＯＸ １０３Ｗ／ｋｇ左右。
ＣＨＥＮ Ｙｉｎｇ－ｆａｎｇ，ＬＩ Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ，ＤＥＮＧ Ｍｅｉ－ｇｅｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＦｉｎａｎｃｅ＆Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｄｅｖｉｃｅ。ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ
ｌａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｌｏｎｇ ｃｙｃｌｅ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｈａｒｇｅ—ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｒｅａｓｏｎ，ｗｏｒｌｄ ｗｉｄｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｗａｓ ａｔｔｒａｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｍａｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅａｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
大，越来越多的公司聚焦到生产超级电容器上。表ｌ列
出了几个公司已商业化的超级电容器的性能。
表１已商业化的超级电容器及其性能 Ｔａｂ．１ Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ
ｙ
公司
产品型号
Ｖ
ＮＥＣ
ＦＢＩＥ５０５Ｚ
２４
Ｐａｎａｓｏｎｉｃ ＥＥＣＨＷＷＯＤ７０６
２．１
Ｃ
如
池在高功率输出、快速充电、宽温度范围使用以及寿
命等方面存在一定的局限性。而超级电容器能较好地
满足电动车在启动、加速、爬坡时对功率的需求，若
与动力电池配合使用，则可减少大电流充放电对电池
的伤害，延长电池的使用寿命，同时还能通过再生制
动系统将瞬间能量回收于超级电容器中，提高能量利
用率。
俄罗斯已经将超级电容器电动车投入到公交线路
、，ｂ１．２７ Ｎｏ．４
８
陈英放等：超级电容器的原理及应用
Ａｐｒ．２００８
源。超级电容器可
以在短时间内充电
（ａ）与电池联用作为备用电源
完毕，并能提供比 较大的能量。当主
电源中断或由于接
触不良等原因引起
系统电压降低时，
超级电容器就可以
起后备补充作用，
可以避免因突然断电而对仪器造成的影响。图２是超级
电容器应用在电路中的原理图。超级电容可取代电池
上运营，性能良好。美国Ｍａｘｗｅｌｌ公司所开发的超级
电容器已在各种类型电动车上得到良好应用。本田公
司在其开发出的第三代和第四代燃料电池电动车ＦＣＸ —Ｖ３和ＦＣＸ—Ｖ４中分别使用了自行开发研制的超级
电容器来取代二次电池，减少了汽车的重量和体积，
使系统效率增加，同时可在刹车时回收能量，测试结
果表明，使用超级电容器时燃料效率和加速性能均得
４超级电容器的应用
，超级电容器以其众多的优点，一经问世便受到人们 的广泛关注，己在很多领域得到成功的应用，如充当记
忆器、电脑、计时器等电子产品的后备电源；用做电动
玩具车主电源、内燃机中启动电力、太阳能电池辅助电
源，还可应用于航空航天等领域。目前，超级电容器的
发展正逐渐步入成熟期，超级电容器的市场也越来越
万方数据
第２７卷第４期
陈英放等：超级电容器的原理及应用
７
由于库仑力、分子间力、原子间力的作用，使固液界面 出现稳定的、符号相反的双层电荷，称为界面双层。
双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料， 有活性炭（活性炭粉末、活性炭纤维）、碳气凝胶、 碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔 隙率有关。通常，孔隙率越高，电极材料的比表面积 越大，双电层电容也越大。但不是孔隙率越高，电容 器的容量越大。保持电极材料孔径大小在２－－－５０ ｎｍ之 间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积，从而提 高双电层电容。 ２．２赝电容器原理
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｕｐｅｒｅａｐａｃｉｔｏｒｓ；ｒｅｖｉｅｗ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
超级电容器（Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ）是２０世纪七八十年 代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型 储能器件，具有法拉级的超大电容量，比同体积的电 解电容器容量大２ ０００＂６ ０００倍，功率密度比电池高 １０～１００倍，可以大电流充放电，充放电效率高，充放 电循环次数可达１０５次以上，并且免维护。超级电容器 的出现填补了传统的静电电容器和化学电源之间的空 白，并以其优越的性能及广阔的应用前景受到了各个 国家的重视［１～４１。
第２７卷第４期 ２００８年４月
电 子 元 件与 材 料 ＥＬＥＣＴＲｏＮＩＣ ＣｏｈＩｐＯＮＥＮＴＳ ＡＮＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ
、，０１．２７ ＮＯ．４ Ａｐｒ．２００８
超级电容器的原理及应用
陈英放，李媛媛，邓梅根
（江西财经大学电子学院，江西南昌３３００１３）
摘要：作为一种介于传统电容器及电池之间的新型储能元件，超级电容器具有超大容量、高功率密度。长循环寿