超级电容器-基本概念

• 赝电容型超级电容器：
– 包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包 括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极 材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、 PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极， 以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能 量密度，目前除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还 没有实现产业化生产。
• 额定电压：
– 可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来 的3V），除此之外还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电 压，通常为额定电压的105%），实际上超级电容器的击穿电压远 高于额定电压（约为额定电压的1.5-3倍左右，与普通电容器的额 定电压/击穿电压比值差不多。
超级电容器研究
• • • • • • • 超级电容器的主要特性 超级电容器优势 超级电容器分类 超级电容器发展现状 超级电容器测试 超级电容器性能相关因素 超级电容器应用领域
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超级电容器的主要特性
超级电容器
随活性物质的变化而变化 电极电位随充电状态而发生 变化 电容性 可得恒流曲线呈线性变化
恒流放电时电位变化
比能量 比功率 充放电次数
基本不变
20-200Wh/kg <500 W/kg <104
呈线形变化
0.2-20 Wh/kg 102 -104 W/kg >105
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国外
Maxwell
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超级电容器分类
• 超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为 多种产品，以下作简单介绍。 • 按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级 电容器：
– 双电层型超级电容器，包括
1.活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电 极。 2.碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强 ，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。 3.碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电 极材料。 4.碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采 用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极 。
23 21.5 21 67
ESLSR-0120C0-002R3 ESHLR-0090C0-002R7 ESHSR-0100C0-002R7 ESHSR-0360C0-002R7A
2.7
600
<0.64
90
6 0
Hale Waihona Puke Baidu
2 8
151
210
ESHSP-0600C0-002R7
2.7 Large Prismatic 2.7
– 超级电容器体积在逐年减小，120F/2.7V已做到直径20毫米高40 毫米，3F/2.7V直径8毫米高20毫米。ESR在小容量中接近0.3Ω.F ，大容量接近0.45Ω.F，0.5Ω.F。 – 能量密度和功率密度分别达到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg 、6.4kW/l。 – 循环寿命和寿命分别达到500 000次和90 000小时。
NESSCAP
Size Rated Voltage (V, DC) Rated Capacitance (F) MAX ESR (mΩ) AC 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 Small 2.7 2.7 2.7 2.7 2.7 2.7 5 7 10 25 60 3 5 6 10 25 50 <123 <35 <70 <38 <23 <61 <29 <26 <26 <21 <14 Dimension(mm) Volume (ml) T 1.6 1.5 2.4 5.0 10.2 1.0 1.6 1.5 1.5 1.0 1.5 2.4 2.2 3.6 7.6 13.5 1.5 2.3 2.3 3.2 6.5 11.3 ESLSR-0005C0-002R3 ESLLR-0007C0-002R3 ESLSR-0010C0-002R3 ESLSR-0025C0-002R3 ESLSR-0060C0-002R3 ESHSR-0003C0-002R7 ESHSR-0005C0-002R7 ESHSR-0006C0-002R7 ESHSR-0010C0-002R7 ESHSR-0025C0-002R7 ESHSR-0050C0-002R7 Weight (g) Part Number D 10 8 10 16 18 8 10 8 10 16 18 L 20 30 30 25 40 20 20 30 30 25 40 W
• 工作与存储温度：
– 通常为-40℃-60℃或70℃，存储温度还可以高一些。
• 漏电流：
– 一般为10μA/F
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超级电容器优势
• 超级电容器和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于 交流电路。 • 超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。有 时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结 合起来，不失为一种更好的途径。 • 超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以 完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围 ，如果过放可能造成永久性破坏。 • 超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，而电池 的荷电状态则包括多样复杂的换算。 • 超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量 ，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在 一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更 好的途径。 • 超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果 电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。 • 超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。 • 超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环。
• 额定容量：
– 单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电 流充电到额定电压后保持2-3分钟，在规定的恒 定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时 间与电流的乘积再除以额定电压值，即：
– 由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大， 因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略。
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2.3 2.7 Medium 2.7 2.7
120 90 100 360
<16 <6 <9 <3.2
22 22 22 35
45 45 45 62
17.1 17.1 17.1 60
• 等效串联电阻：
– 测试条件：规定的恒定电流（如1 000F以上的超级电 容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）和规 定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下 的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温 度上升而减小。 – 超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加 电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭 电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其 它电容器的大。
• 循环寿命：
– 20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额 定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可 达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容 量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。
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• 寿命：
– 在25℃环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60℃ 的环境温度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿 命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的 蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低 于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。
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• 按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质 类型： • 水性电解质，包括以下几类
1.酸性电解质，多采用36％的H2SO4水溶液作为电解质。 2.碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶 剂。 3.中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂， 多用于氧化锰电极材料的电解液。
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• 以上电极材料可以制成：
1.平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的 电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组 合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。 2.绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕 制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度
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超级电容器国外发展现状
• 超级电容器通常耐压为2.5-3V，也有耐压为1.6V的产品。 • 主要有美国、德国、日本、韩国、俄罗斯和中国等国家生 产。 • 比较知名的公司有：Maxwell、Epcos、Nesscap、ELNA 、NEC、松下等。我国有锦州超容等企业，从容量上看有 机系的国外达到2.7V/5 000F，国内的锦州超容接近这一 水平。
•
额定电流：
– 5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲 峰值电流）
• 最大存储能量：
• • – 在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh ）为单位 能量密度： – 最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l） 功率密度： – 在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率， 用kW/kg或kW/l表示。
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超级电容器和蓄电池性能比较
条件
电化学位变化 充放电电极电位变化 电量储存方式 恒电位变化时
蓄电池
由活性物质的热力学性质决定 如果不发生非热力学过程或物相 变化电极电位保持不变 非电容性 得不到恒流曲线
1700
<0.50
165
6 0
2 8
277
385
ESHSP-1700C0-002R7
3500
<0.28
165
6 0
5 2
515
685
ESHSP-3500C0-002R7
2.7
5000
<0.25
165
6 0
7 2
713
930
ESHSP-5000C0-002R7
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• 有机电解质
通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季 胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶 剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度
• 另外还可以分为：
1.液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态。 2.固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展， 应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电 解质进行研究