超级电容器的原理及应用

论超级电容器的原理及应用

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20世纪60年代，作为一种新型储能器件，其主要介于传统电容器与电池间。与传统电容器比较可得，超级电容器具备电容量大（为2000-6000倍同体积电解电容器）、功率密度高（为10-100倍电池）、充放电电流量大、充放电循环次数高（大于105次）、充放电效率高、免维修等优点。在本案，笔者以超级电容器为研究对象，探析其原理、应用领域及应用效果。

1 超级电容器分类

就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。

就电能机理而言，超级电容器分为双电层电容器、法拉第准电容（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。与双电层电容相比较，吸附电容完全不相同，此外，吸附电容的比电容将随着电荷传递的

向前推进而不断增大。

就超级电容器电极上的反应情况及结构而言，超级电容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电极反应相同、组成相同、反应方向相反，例如贵金属氧化物、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反应不同、电极组成不同。超级电容器可用电压的最大值取决于电解质分解电压。电解质可为强碱、强酸等水溶液，亦或盐的质子惰性溶剂等。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大可用电压；通过有机溶液体系，超级电容器可获取高电压，并获取高比能量。

2 超级电容器的原理

就存储电能的机理而言，超级电容器分为赝电容器及双电层电容器。在本案，笔者就赝电容器及双电层电容器为研究对象，探析其原理。

2.1 双电层电容器原理

双电层电容器属于一种新型元器件，其能量储存主要是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，其势必会引起固液界面产生一个双层电荷，该电荷具备符号相反及稳定性强的特点。

双电层电容器的电极材料主要是多孔碳材料（碳气凝胶、活性炭纤维及炭粉末等活性炭、碳纳米管）。通常情况下，就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，即电极材料比表面积随着孔隙率的增高而变大，双电层电容随着孔隙率的增高而变

大。需要强调的一点是，孔隙率的增高与电容器的变大间无规律性可言，但电极材料的孔径大小却保持在2-50mm范围内，其对孔隙率的提高、材料有效比表面积的提高及双电层电容的提高意义至关重要。

2.2 赝电容器原理

赝电容（法拉第准电容），主要是指在电极材料体相、表面准二维或二维空间内，以欠电位沉积电活性物质为依托，发生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整个体相内，则其最大电容值相对更大，如：吸附型准电容为2000*10-6f/cm2。就氧化还原型电容器而言，其最大电容量更大。已经被公认了的碳材料比容值为20*10-6f/cm2，则在重量级体积相同条件下，赝电容器容量等同于10-100倍双电层电容器容量。现阶段，赝电容器的电极材料主要是导电聚合物及金属氧化物。

近年来，超级电容器电极材料新增了导电聚合物。聚合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/cm。以还原反应及电化学氧化反应为依托，在电子轭聚合物链上，导电聚合物引入负电荷及正电荷中心，此时，电极的电势决定了负电荷及正电荷中心的充电程度。导电聚合物能量存储的途径为法拉第过程。现阶段，能够于较高还原电位条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，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。

3 超级电容器的特点

3.1 优点

（1）容量超高：超级电容器容量范围处于0.1-6000f，其等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倍，即10*103w/kg。

（3）高充放电效率，长使用寿命：超级电容器充放电过程对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寿命无任何负面影响。

（4）温度范围宽，即-40-70℃：温度对超级电容器电极材料反应速率的负面影响程度较轻。

（5）环保、免维护：超级电容器材料无毒、安全、环保。（6）可长时间放置：超级电容器因长时间放置而导致起电压下降，但只需对其充电便可使其电压复原，且超级电容器容量性能不会因此受到任何影响。

3.2 缺点

超级电容器的缺点主要是漏电流量大、能量密度低级单体工作电压低等。

4 超级电容器的应用

超级电容器凭借自身众多优点而被广泛应用于各行各业，例如：充当记忆器、计时器、内燃机启动电力；电脑等电子产品；航空；太阳能电池辅助电源；电动玩具车主电源等领域。在本案，笔者就

超级电容器于消费电子、电动汽车及混合电动汽车、电力系统级内燃机车启动等四大领域的应用展开探讨。

4.1 消费电子

超级电容器凭借着自身循环寿命长、储能高、质量轻等优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用电源领域。超级电容器的充电时间较短，但充电能量较大。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受到损坏。图1为电路中超级电容器应用原理图。

超级电容器完全可以代替电池而成为新型环保型小型用电器电源，且数字钟、录音机、电动玩具、照相机及便携式摄影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性高及循环寿命长等优点。若将超级电容器与电池联用，其使用效果极佳，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源，尤其是某些无线技术便携装置，其应用效果不言而喻。

4.2 电动汽车及混合电动汽车

超级电容器的独特优势大大满足了电动汽车对电动电源的需求。相对于超级电容器，传统动力电池因在快速充电、使用寿命、高功率输出及宽温度范围等方面均存在局限而不能最大程度满足电动

汽车动力电源的需要。就电动车加速、启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方便。如果将超级电容器配合动