超级电容器综述_刘小军 电极材料

第14卷第2期2011年4月西安文理学院学报:自然科学版Journal o fX i ,an U niversity o fA rts&Science(Nat SciE d)Vo.l 14 N o .2Apr .2011文章编号:1008 5564(2011)02 0069 05

收稿日期:2010 11 20

作者简介:刘小军(1982

),男,湖北黄冈人,陕西国防工业职业技术学院化学工程学院助教,硕士.研究方向:储能材料.超级电容器综述

刘小军,卢永周

(陕西国防工业职业技术学院化学工程学院,陕西西安710302)

摘 要:超级电容器是一种介于常规电容器与化学电池之间的一种新型储能元件,它具有很高的放

电功率、法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围、极长的使用寿命、免维护、经济环保

等优点.介绍了超级电容器的发展状况、原理、应用及特点,归纳了超级电容器电极材料的研究进展.

关键词:超级电容器;发展原理;应用综述

中图分类号:TM 53 文献标识码:A

A R eview of Super -Capacitors

L I U X iao jun ,LU Y ong z hou

(D epa rt m en t of Che m ical Eng i nee ri ng ,Shaanx iN ati onal D efense

Industry V ocati onal T echno logy Instit ute ,X i an 710302,China)

A bstract :Super-capac itor ,the function o f wh ich ranges bet w een that o f co mm on capac itor

and che m ica l batteries ,is a brand-ne w energy storage device .It features such superior quali

ties as large dischar ge po w er ,large capacitance of farad grade ,higher energy ,w ider operati n g

te m perature range ,longer service life ,exe mpti o n fro m m a i n tenance ,econo m y ,and env iron

m enta l protection .Th i s paper g i v es an intr oducti o n to the status quo of super-capacitor s de

velopm en t ,its pr i n ci p le ,app lication ,and characteristics .It a lso d iscusses the current research

on super-capacitors e lectrode m ateri a ls .

K ey words :super-capacitor ;princi p le of developm en;t rev ie w o f application

超级电容器是一种介于普通电容器和化学电池之间的储能器件,兼具两者的优点,如功率密度高、能量密度高、循环寿命长、可快速充放电,并具有瞬时大电流放电和对环境无污染等特性.它涉及材料、能源、化学、电子器件等多个学科,成为交叉学科研究的热点之一.作为一种绿色环保、性能优异的新型储能器件,超级电容器在众多的领域有广泛的应用,包括国防、军工,以及电动汽车、电脑、移动通信等民用领域,因而受到了世界各国,尤其是发达国家的高度重视.近几年来,我国科研人员和国家相关部门也对此极度关注.

1 超级电容器的发展状况

双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的.1879年H e l m ho lz 发现了电化学界面的双电层电容

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西安文理学院学报:自然科学版第14卷性质;1957年,Becker申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的电化学电容器方面的专利(提出可以将小型电化学电容器用做储能器件);1962年标准石油公司(SOH I O)生产了一种6V的以活性碳(AC)作为电极材料,以硫酸水溶液作为电解质的超级电容器,1969年该公司首先实现了碳材料电化学电容器的商业化;1979年NEC公司开始生产超级电容器(Super Capacito r),开始了电化学电容器的大规模商业应用;随着材料与工艺关键技术的不断突破,产品质量和性能不断得到稳定和提升,到了九十年代末开始进人大容量高功率型超级电容器的全面产业化发展时期.在超级电容器的产业化上,最早是1980年NEC/Tokin与1987年松下三菱的产品.到20世纪90年代,E cond和EL I T推出了适合于大功率启动动力场合的电化学电容器.如今,Panasonic、NEC、EPCOS、M ax w ell、Po w erstor、Evans,SAFT, Cap-xx,NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃[1-2].目前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场,各个国家的超级电容量器产品在功率、容量、价格等方面都自己的特点和优势.

与国外相比,我国超级电容器的研究起步晚,始于20世纪90年代末,目前国内研制超级电容器企业有天津力神公司、上海奥威科技开发有限公司、北京集星联合电子科技有限公司、哈尔滨巨容新能源有限公司、锦州富辰超级电容器有限责任公司等.国内研发和生产的超级电容器主要用于民用,如各种电动交通工具的辅助电源、UPS系统、电磁开关、安全气囊、电站峰谷电力平衡、电动起重机的吊件位能回收等高功率用电场合.

天津力神公司与美国M ax w e ll公司合作,产品性能达到国内领先;上海奥威科技开发有限公司以开发超级电容器电动汽车为研发目标,并将上海11路公共汽车定为超级电容电动车的示范线,开始了商业化运营,北京集星联合电子产品主要以卷绕型活性炭纤维布作电极,生产高电压和高容量的有机超级电容器.这一产品不断地得到市场的认知,市场的拓展也在成几何倍数增长.

2 超级电容器的基本原理及分类

电化学电容器做为一种新型储能装置,其储能的机理与传统的静电电容器不同.静电电容器是通过介质极化来存储电荷,它能迅速积累和释放电荷,可在纳秒级脉冲方式下工作,但其存储电荷的能力差,其储存能量的提高主要是依靠提高电容器的电压或介质系数来实现.而电化学电容器充电时可产生的电容包括:在电极/溶液界面处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;在电极表面或体相中二维或准二维的空间内,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赝电容[3].实际上各种超级电容器的电容同时包含双电层电容和法拉第准电容两个分量,只是所占的比例不同而已.

因此,根据储能机理的不同,可以将电化学电容器分为双电层电容器和法拉第赝电容器.根据采用的电极材料不同,电化学电容器可分为碳电极电容器、金属氧化物电极电容器和导电聚合物电容器.根据采用的电解质体系的不同,电化学电容器可分为水溶液电解质电容器和有机电解质电容器.根据电化学电容器的结构及电极上发生反应的不同,又可分为对称型和非对称型.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;反之则被称为非对称型.非对称型电容器具有比常规电容器更高的比能量和比二次电池更高的比功率.

3 超级电容器的特点

超级电容器不同于常规的电容器,它存储的能量可达静电电容器的100倍以上,同时又具有比电池高出10~100倍的功率密度[4-5].与静电电容器相比,其优点是能量密度非常高,容量可达到数千法拉,但是它耐压较低,受制于电解液的分解电压,一般水系电解液的单体工作电压为0V~1.4V,且电解液腐蚀性强;非水系可以高达4.5V,实际使用的一般为3.5V,漏电较大,且容量随频率显著降低.从其发展趋势来看,超级电容器主要是用来取代或部分取代电池.与电池相比,超级电容器具有许多电池无法比拟的优点[6].

(1)超高电容量(0.1~50000F).比同体积钽、铝电解电容器电容量大2000~50000倍.