超级电容器工作原理及应用
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池 有本 质 的 区别
１ 法 拉 第 准 电 容 器 ． ２
列 的寿命 终止 现象 ，碳极 电容 器理论 循 环寿命 为无
穷 大 ，实际 可达 １００ ０次 以上 ．远 超过 电池 的可 （ ０ ３
使用 次数
２ 低 温 性 能 优 越 ． ４
在超 级 电容 的充放 电过程 中发 生 的电荷转 移 大
在 电极一 液 界 面通 过 电子 、离 子或 偶 极 子 的 溶 定 向排 列所 产生 的 双 电层 来储 存 电荷 的电容 器为 双
电层 电容 器【 ”
２ 超 级 电容器 的性 能特 点
超级 电容器 极其 接近 于传 统 电容器 的充放 电曲
线 ．决定 了其 作为 储能元 件使 用时 具有许 多 区别 于 电池 的独 到 的特点 。 ２１ 具 有极 高的 功率 密度 ． 、
部 分都在 电极 活性 物质 的表 面进行 ．所 以容量 随温 电活性 物 质在 电极 表面或 体相 中的两维 空 间或
准两 维空 间或 三维空 间进 行欠 电位 沉积 ．发 生高 度
度 衰减非 常小 。电池在低 温 下容量 衰减 幅度 却可 高
达 ７ ０％。
可逆 的吸 附脱离 或氧 化还 原反 应 ，产生 和 电极 电位
有 关 的法拉 第准 电容 。其 工作 原理 与 电池具 有一 定 的相似 性 ，将 电能转 化为 化学 能存储 『 ３ ］ 在活性 物质 中 ，随着 在法 拉第 电荷 传递 化学 变 化 的电化学 过程 的进 行 ，在极 化 电极 上 发生欠 电位
２ 对环 境 无污染 ． ５
产 品原材料 构 成 、生 产 、使 用 、储存 以及 拆解 过 程均 没有 污 染 ，尤 其是 炭 基 电容 器 ，成本 低 廉 ， 是理 想 的绿色环 保 电源 。
电容 器 两 端 电压 超 过 电解 液 的氧 化 还 原 电极 电 位 时 ，电解液 将分 解 ，为非 正常 状态 。 随着超 级 电容
小 时完成充 电 ，采用 快速 充 电也需要 几 十分钟 。 ２３ 使用 寿命 长 ．・
在超 级 电容器 的充放 电过 程 中发生 的 电化 学 反
应都 具有 良好 的可 逆性 ．不 易 出现类 似 电池 中活性
Байду номын сангаас
充放 电线路 简单 ，安 全 系数 高 ，长期 使用 免 维 护 ，检测 方便 （ 余 电量 可直 接读 出 ）等 。 剩
当外 加 电压加 到双 电层 超级 电容 器 的两 个极 板
上 时 ．与 普通 电容 器一样 ，极板 的正 电极存 储 正 电
荷 ．负极 板存 储负 电荷 。在 超级 电容 器 的两极 板上 电荷 产生 的 电场作 用下 ．在 电解 液与 电极 间 的界面
电容器 的功 率密 度 为 电池 的 １ Ｏ ０ ｌ ０倍 ．可 达
２２ 充 电速度快 ．
电荷分 布 层 叫做 双 电层 。双 电层 中 的电荷 密 度 大 ， 再 加上 正负 电荷之 间 的距离 极短 ．因此 电容量 非 常 大 通 常超 级 电容器 采用 活性 炭粉 与活性 炭纤 维作 为 可极 化 电极 。其多 孔性结 构 使得 电极 与 电解 液 接 触 的 面积大 大增 加 ．进一 步增 加 了超 级 电容器 的容
电 子 产 品 可 靠性 与 环 境 试 验
２１ ０ ２正
台 ．这 时 的电压 随时 间变化很 小囝 。
沉 积或 氧化还 原反 应 ．其 放 电和再 充 电行为 更接 近
电容器 而不是 电池 ［ ３ ］
１ 超 级 电容 器 的 工 作 原 理 及 分 类
按 照超级 电容 器存 贮 电荷 的机理 ．可 以分 为双 电层 电容器 和法 拉第 准 电容 器
１１ 双 电 层 电容 器 ．
法 拉第 准 电容 不仅 发生 在 电极 表 面 ，而 且可 深 入 电极 内部 ．因而可获 得 比双 电层 电容 更高 的电容 量和能 量密 度 。在相 同的 电极面 积下 ，法拉 第 准 电 容可 以是 双 电层 电容 量 的 １— ０ ０ １０倍 【 ３ Ｊ 。
量。
超 级 电容器 充 电是双 电层充 放 电 的物 理过 程或
是 电极 物 质表 面的快 速 、可逆 的化学 过 程 。可采用
大 电 流充 电 ．能在 几 十 秒 到 数 分 钟 内完 成 充 电过
程 ，是真 正意义 上 的快速 充 电。而 蓄 电池 则需 要数
当两极 板 间的 电势低 于 电解 液 的氧 化还原 电极 电位 时 。电解液 界面 的上 电荷 不会 脱离 电解液 ．超 级 电容器 为 正 常工 作状 态 （ 常 为 ３Ｖ 以下 ） 通 ．如
Ｄ￣ Ｎ ＣＨＡＮＰＩ ＫＥＫ ＺＩ Ｎ ＡＯＸＩ ＮＧ ＨＵ ＹＵ ＡＮＪ Ｇ ＳＨＩ ＡＮ ￣ Ｙ
增 刊
刘 晓 臣 ：超 级 电容 器 工作 原 理 及 应 用
２ 安 全 、免 维护 ． ６
要 求 时 ．智 能 电 网将 及 时 与 电 网 断 开从 而独 立 运
行 ，成 为离 网运 行模 式 。并 网运行 模式 时 ．智 能 电 网需要 从 常 规 电 网 中吸 收部 分 有功 功 率 作 为补 充
物质 那样 的 晶型转 变 、脱 落 、枝 晶穿透 隔膜 等一 系
器 的放 电 ，正 、负极 板上 的 电荷被外 电路泄 放 ．电 解 液 的界 面上 的电荷 响应 减少 。由此可 以看 出 ：超 级 电容器 的充放 电过 程始 终是 物理 过程 ．没 有化 学 反 应 。 因此 性 能是稳 定 的 。与 利用 化学 反应 的蓄 电
到 １ Ｗ， 左右 ，可 以在 短 时 间 内放 出几百 到 几 ０ｋ
上形 成 相反 的 电荷 。以平衡 电解 液 的内 电场 ，这种
正 电荷 与负 电荷在 两个 不 同相 之间 的接触 面上 ．以 正 负 电荷 之 间极短 间 隙排列 在 相反 的位置 上 ．这个
千安培 的 电流 。这个 特点使 得超 级 电容器 非常 适合 用于短 时 间高功 率输 出 的场 合 。
１ 法 拉 第 准 电 容 器 ． ２
列 的寿命 终止 现象 ，碳极 电容 器理论 循 环寿命 为无
穷 大 ，实际 可达 １００ ０次 以上 ．远 超过 电池 的可 （ ０ ３
使用 次数
２ 低 温 性 能 优 越 ． ４
在超 级 电容 的充放 电过程 中发 生 的电荷转 移 大
在 电极一 液 界 面通 过 电子 、离 子或 偶 极 子 的 溶 定 向排 列所 产生 的 双 电层 来储 存 电荷 的电容 器为 双
电层 电容 器【 ”
２ 超 级 电容器 的性 能特 点
超级 电容器 极其 接近 于传 统 电容器 的充放 电曲
线 ．决定 了其 作为 储能元 件使 用时 具有许 多 区别 于 电池 的独 到 的特点 。 ２１ 具 有极 高的 功率 密度 ． 、
部 分都在 电极 活性 物质 的表 面进行 ．所 以容量 随温 电活性 物 质在 电极 表面或 体相 中的两维 空 间或
准两 维空 间或 三维空 间进 行欠 电位 沉积 ．发 生高 度
度 衰减非 常小 。电池在低 温 下容量 衰减 幅度 却可 高
达 ７ ０％。
可逆 的吸 附脱离 或氧 化还 原反 应 ，产生 和 电极 电位
有 关 的法拉 第准 电容 。其 工作 原理 与 电池具 有一 定 的相似 性 ，将 电能转 化为 化学 能存储 『 ３ ］ 在活性 物质 中 ，随着 在法 拉第 电荷 传递 化学 变 化 的电化学 过程 的进 行 ，在极 化 电极 上 发生欠 电位
２ 对环 境 无污染 ． ５
产 品原材料 构 成 、生 产 、使 用 、储存 以及 拆解 过 程均 没有 污 染 ，尤 其是 炭 基 电容 器 ，成本 低 廉 ， 是理 想 的绿色环 保 电源 。
电容 器 两 端 电压 超 过 电解 液 的氧 化 还 原 电极 电 位 时 ，电解液 将分 解 ，为非 正常 状态 。 随着超 级 电容
小 时完成充 电 ，采用 快速 充 电也需要 几 十分钟 。 ２３ 使用 寿命 长 ．・
在超 级 电容器 的充放 电过 程 中发生 的 电化 学 反
应都 具有 良好 的可 逆性 ．不 易 出现类 似 电池 中活性
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充放 电线路 简单 ，安 全 系数 高 ，长期 使用 免 维 护 ，检测 方便 （ 余 电量 可直 接读 出 ）等 。 剩
当外 加 电压加 到双 电层 超级 电容 器 的两 个极 板
上 时 ．与 普通 电容 器一样 ，极板 的正 电极存 储 正 电
荷 ．负极 板存 储负 电荷 。在 超级 电容 器 的两极 板上 电荷 产生 的 电场作 用下 ．在 电解 液与 电极 间 的界面
电容器 的功 率密 度 为 电池 的 １ Ｏ ０ ｌ ０倍 ．可 达
２２ 充 电速度快 ．
电荷分 布 层 叫做 双 电层 。双 电层 中 的电荷 密 度 大 ， 再 加上 正负 电荷之 间 的距离 极短 ．因此 电容量 非 常 大 通 常超 级 电容器 采用 活性 炭粉 与活性 炭纤 维作 为 可极 化 电极 。其多 孔性结 构 使得 电极 与 电解 液 接 触 的 面积大 大增 加 ．进一 步增 加 了超 级 电容器 的容
电 子 产 品 可 靠性 与 环 境 试 验
２１ ０ ２正
台 ．这 时 的电压 随时 间变化很 小囝 。
沉 积或 氧化还 原反 应 ．其 放 电和再 充 电行为 更接 近
电容器 而不是 电池 ［ ３ ］
１ 超 级 电容 器 的 工 作 原 理 及 分 类
按 照超级 电容 器存 贮 电荷 的机理 ．可 以分 为双 电层 电容器 和法 拉第 准 电容 器
１１ 双 电 层 电容 器 ．
法 拉第 准 电容 不仅 发生 在 电极 表 面 ，而 且可 深 入 电极 内部 ．因而可获 得 比双 电层 电容 更高 的电容 量和能 量密 度 。在相 同的 电极面 积下 ，法拉 第 准 电 容可 以是 双 电层 电容 量 的 １— ０ ０ １０倍 【 ３ Ｊ 。
量。
超 级 电容器 充 电是双 电层充 放 电 的物 理过 程或
是 电极 物 质表 面的快 速 、可逆 的化学 过 程 。可采用
大 电 流充 电 ．能在 几 十 秒 到 数 分 钟 内完 成 充 电过
程 ，是真 正意义 上 的快速 充 电。而 蓄 电池 则需 要数
当两极 板 间的 电势低 于 电解 液 的氧 化还原 电极 电位 时 。电解液 界面 的上 电荷 不会 脱离 电解液 ．超 级 电容器 为 正 常工 作状 态 （ 常 为 ３Ｖ 以下 ） 通 ．如
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增 刊
刘 晓 臣 ：超 级 电容 器 工作 原 理 及 应 用
２ 安 全 、免 维护 ． ６
要 求 时 ．智 能 电 网将 及 时 与 电 网 断 开从 而独 立 运
行 ，成 为离 网运 行模 式 。并 网运行 模式 时 ．智 能 电 网需要 从 常 规 电 网 中吸 收部 分 有功 功 率 作 为补 充
物质 那样 的 晶型转 变 、脱 落 、枝 晶穿透 隔膜 等一 系
器 的放 电 ，正 、负极 板上 的 电荷被外 电路泄 放 ．电 解 液 的界 面上 的电荷 响应 减少 。由此可 以看 出 ：超 级 电容器 的充放 电过 程始 终是 物理 过程 ．没 有化 学 反 应 。 因此 性 能是稳 定 的 。与 利用 化学 反应 的蓄 电
到 １ Ｗ， 左右 ，可 以在 短 时 间 内放 出几百 到 几 ０ｋ
上形 成 相反 的 电荷 。以平衡 电解 液 的内 电场 ，这种
正 电荷 与负 电荷在 两个 不 同相 之间 的接触 面上 ．以 正 负 电荷 之 间极短 间 隙排列 在 相反 的位置 上 ．这个
千安培 的 电流 。这个 特点使 得超 级 电容器 非常 适合 用于短 时 间高功 率输 出 的场 合 。