超级电容器综述
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1879年 ,亥姆霍茨 (Helmholtz)发现界面双电层现象 ,提
出了平板电容器的解释模型 ,但直到 1957年 Becker获得了 双电层电容器的专利 ,才使得超级电容器的产品化有了新的 突破。到目前超级电容器已有 50多年的发展历史 ,其间对于 超级电容器的研究主要集中在寻找电极活性物质作为电极 的研究上。今后人们将会继续研究与开发新颖的电极材料、 选择合适的电解液、优化电容器的组装技术 [2] 。目前电极材 料可以分为三类 :第一类是碳材料 ;第二类是过渡金属氧化 物 ;第三类是导电聚合物材料。
Keywords: supercapacitors; development; app lication; p rincip le; review
0 引言
超级电容器 (Supercapacitors)是近几十年来 ,国内外发展 起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储 能元件。它具备传统电容那样的放电功率 ,也具备化学电池 储备电荷的能力。与传统电容相比 ,具备达到法拉级别的超 大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿 命 ,充放电循环次数可达十万次以上 ,且不用维护 ;与化学电 池相比 ,具备较高的比功率 ,且对环境无污染。因此 ,超级电 容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置 ,它优越的性能 得到各方的重视 ,目前发展十分迅速。
Evans
水溶液
28
0. 02
0. 1
30 000
封装原型
碳 /氧化镍
ESMA
水溶液
1. 7
50 000
8 - 10
80 - 100
商品化
2 超级电容器的特点 [ 8 ]
超级电容器作为一种新的储能元件 ,具有如下优点 : 1)超高电容量 (0. 1～50 000F) 。比同体积钽 、铝电解 电容器电容量大 2 000～50 000倍 。 2)漏电流极小 ,具有电压记忆功能 ,电压保持时间长 。 3)功率密度高 ,可作为功率辅助器 ,供给大电流 。 4)充放电效率高 ,具有超长自身寿命和循环寿命 ,即 使几年不用仍可保留原有的性能指标 ,充放电次数大于 10万次 。 5)对过充放电有一定的承受能力 ,短时过压不会产生 严重影响 ,能反复地稳定充放电 。 6)温度范围宽 - 40 ℃～ + 70 ℃,一般电池是 - 20 ℃ ～ + 60 ℃。且免维护 ,环境友善 。 但是 ,目前超级电容器还有一些需要改进的地方 ,如 能量密度较低 ,体积能量密度较差 ,和电解电容器相比 ,工 作电压较低 ,一般水系电解液的单体工作电压为 0 V ～1. 4 V,且电解液腐蚀性强 ;非水系可以高达 4. 5 V ,实际使用 的一般为 3. 5 V ,作为非水系电解液要求高纯度 、无水 ,价 格较高 ,并且非水系要求苛刻的装配环境 。
双电层电容器
EL IT KORCH IP
ELNA
碳纤维复合物 碳凝胶
M axwe ll Sup e rfa rad PowerStor
导电聚合物膜 Los A lamos National Lab
国外超级电容器研究状况
电解液 有机电解液 有机电解液 有机电解液 有机电解液
水溶液 水溶液 有机电解液 有机电解液 有机电解液 有机电解液
目前超级电容器正逐渐步入成熟期 ,市场越来越大 , 有越来越多的公司聚焦到生产超级电容器上 。以下以超 级电容器应用的电流等级不同 ,介绍超级电容器的应用范 围。
1)应用在 100 μA 以下的 ,主要作为记忆体的后备电 源 ,可以作为 CMOS、RAM、IC的时钟电源 。在医疗器械 、 微波炉 、手持终端 、校准仪等中得到应用 。
有机电解液
2. 8
0. 8
1. 2
2 000
实验室原型
氧化还原 电容器
混合金属 氧化物
P innac le Research
水溶液
15 100
in stitu te
125
封装原型
0. 5 - 0. 6
200
1
没有封装的
US A rmy Fort
水溶液
5
1
1. 5
4 000
实验室原型
混合电容器 RuO2 / Ta电介质
2)应用在 500 μA 以下的 ,主要作为主供电的后备电 源 。在数字调频音响系统 、可编程消费电子产品 、洗衣机 等中作为 CMOS、RAM、IC的时钟电源并在测量仪器 、自动 控制模块等中提供高温 85 ℃条件下系统时钟电源 。
·84·
现代机械 2009年第 4期
3)应用在最高 50 mA 的 ,主要用作电压补偿 。在引擎 启动时 ,主电压突降 ,它可以作为汽车音响后备电源 ,进行 电压补偿 。同样用在磁带机 、影碟机电机以及计量表启动 时。
6)应用在 50 A 以上的 ,主要提供超大电流放电 。主 要用于汽车 、坦克等内燃发动机的电启动系统 ,以解决怠 速启动问题 [11 ] 、直流屏 、电动汽车 、储能焊机 、电焊机 、大 型通讯设备 、抗电网瞬态波动系统等 。
4 超级电容器使用注意事项
1)电容器在使用前 ,应确认极性 。它不可应用于高频 率充放电的电路中 ,且应在标称电压下使用 ,若超过将会 导致电解液分解 、电容器发热 、容量下降 、内阻增大 、寿命 缩短 ,某些情况下 ,可导致电容器性能崩溃 。
Rev iew of Supercapac itors
YANG Shengy i, W EN Fang
Abstract: A s a new kind energy storage device, supercapacitors has large discharge power, large capacitance as farad grade, higher en2 ergy, wider operating temperature range, longer service life, free2maintenance, econom ic and environmental p rotection, which is between common capacitor and chem ical batteries. This paper includes supercapacitors’p rincip le, main performance index, development status and characteristics, and sum s up supercapacitors’research status. A t last, it points out attention in use and resolvent.
2)电容器由于内阻较大 ,放电瞬间存在电压降 。 3)电容器不能置于高温 、高湿的或含有有毒气体的环 境中 ,应在温度 - 30 ℃～ + 50 ℃、相对湿度小于 60%的 环境下储存 ,应避免温度骤升骤降 。 4)电容器用于双面电路板 ,需注意连接处不可经过电 容器可触及的地方 。电容器串联使用时 ,存在单体间的电 压均衡问题 [12 ] 。单纯的串联会导致某个或几个单体电容 器因过压而损坏 ,从而影响其整体性能 [9 ] 。 5)将电容器焊接到线路板上时 ,勿使壳体与线路板接 触 ,且在焊接过程中避免使电容器过热 。焊接完成后 ,不 可强行倾斜或扭动电容器 ,而且电容器及线路板需进行清 洗。
1 超级电容器的原理及发展状况
111 超级电容器的原理 根据储存电能机理的不同分为两类 :一类是基于高比表
面积碳材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容器 ( Elec2 tric double layer capacitor , EDLC) ;另一类是在电极材料表面 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 极充电电位有关的法拉第准电容 ( Faraday Pseudo - capaci2 tor) [1] 。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。 112 超级电容器的发展状况
3 超级电容器应用研究状况
超级电容器作为大功率物理二次电源 ,在国民经济各 领域用途十分广泛 。各发达国家都把超级电容的研究列 为国家重点战略研究项目 。1996 年欧共体制定了超级电
容器的发展计划 ,日本“新阳光计划 ”中列出了超级电容 器的研制 ,美国能源部及国防部也制定了发展超级电容器 的研究计划 [9 ] 。我国从 80 年代开始研究超级电容器 ,北 京有色金属研究总院 、锦州电力电容器有限责任公司 、北 京科技大学 、北京化工大学 、北京理工大学等也陆续开展 超级电容器相关研究工作 。2005 年 ,中国科学院电工所 完成了用于光伏发电系统的 300 W h /1 kW 超级电容器储 能系统的研究开发工作 。2006年 8月 ,世界首条超级电容 公交商业示范线在上海率先启动 。上海振华港机利用超 级电容器作为轮胎式集装箱龙门起重机储能装置实现了 绿色 ,取得良好效果 。2008年 8月 ,北京理工大学具有自 主知识产权的纯电动动力系统应用到北京奥运用电动客 车中 。虽然针对超级电容器研究成果颇丰 ,但整体来看 , 我国的研究与应用水平明显落后于世界先进水平 。
4)应用在最高 1 A 的 ,主要作为小型设备主电源 。在 玩具 、智能电表水表煤气表 、热水器 、报警装置 、太阳能道 钌灯等作为主电源 。还在激发器和点火器中起激励作用 , 在短时间内供给大电流 。
5)应用在最高 50 A 的 ,主要提供大电流瞬时放电 。 主要用于不间断电源 、GPS、电动自行车 、风能太阳能的能 量储备等 。
实际上 ,后两种物质作电极的性能要优于碳材料 ,但昂 贵的贵金属材料以及性能不稳定的导电聚合物掺杂 ,使得后 两类超级电容器的研究多限于实验室 ,短期内不太可能进行 商业化。此外 ,还有使用不同正负电极材料的非对称型超级 电容器 (也称混合超级电容器或杂化超级电容器 ) ,其储能能 力大大增加 [3] 。
·82· 文章编号 : 1002 - 6886 (2009) 04 - 0082 - 03
现代机械 2009年第 4期
超级电容器综述
杨盛毅 , 文方
(贵州大学电气工程学院 ,贵州 贵阳 550003)
摘要 :超级电容器是一种介于常规电容器与化学电池二者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和极长的使用寿命 、免维护 、经济环保等优点 。本文介绍了超级电容器的原理 、发展状况 及特点。归纳了超级电容器应用研究状况 ,并指出使用中应注意的事项及解决方法。 关键词 :超级电容器 发展 应用 原理 综述 中图分类号 : TM53 文献标识码 : A
6
300
商品化
0. 01 - 100
0. 5
5 - 10
商品化
0. 5
1. 0
900 - 1 000 商品化
0. 022 - 4. 7
商品化
0. 22 - 100
商品化
5 - 3 000
3 - 5. 52
400 - 17 500 商品化
250
5
200 - 300 封装原型
7. 5
0. 4
250
商品化
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 , Econd 和 EL IT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、Maxwell、Powerstor、Evans, SAFT, Cap - xx,NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活 跃 [4 - 5] 。总的来说 ,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 ,实现产业化的基本上都是双电层电 容器 [6] 。现将国外在电化学电容器方面的主要研究情况列 于表 1[7] 。
作者简介 :杨盛毅 (1986 - ) ,男 ,布依族 ,贵州平塘人 ,在读硕士研究生 ,研究方向为计算机测控技术。 收稿日期 : 2009 - 3 - 5
专题论坛
·83·
百度文库
表 1
类型
电极材料 公司 /实验室
碳粒复合物
Panasonic
Saft/A lcatel
CAP - xx
NEC - TOKIN
电压 V 3 - 5. 5
3 2. 3 - 5. 5 2. 7 - 12
450 3. 6 - 9 2. 5 - 25
2. 7 40 3-5
电容量 F 比能量 Wh·kg- 1 比功率 W·kg- 1 状况
800 - 2 000
3-4
200 - 400
商品化
130
3
500
封装原型
0. 09 - 1. 8
出了平板电容器的解释模型 ,但直到 1957年 Becker获得了 双电层电容器的专利 ,才使得超级电容器的产品化有了新的 突破。到目前超级电容器已有 50多年的发展历史 ,其间对于 超级电容器的研究主要集中在寻找电极活性物质作为电极 的研究上。今后人们将会继续研究与开发新颖的电极材料、 选择合适的电解液、优化电容器的组装技术 [2] 。目前电极材 料可以分为三类 :第一类是碳材料 ;第二类是过渡金属氧化 物 ;第三类是导电聚合物材料。
Keywords: supercapacitors; development; app lication; p rincip le; review
0 引言
超级电容器 (Supercapacitors)是近几十年来 ,国内外发展 起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储 能元件。它具备传统电容那样的放电功率 ,也具备化学电池 储备电荷的能力。与传统电容相比 ,具备达到法拉级别的超 大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿 命 ,充放电循环次数可达十万次以上 ,且不用维护 ;与化学电 池相比 ,具备较高的比功率 ,且对环境无污染。因此 ,超级电 容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置 ,它优越的性能 得到各方的重视 ,目前发展十分迅速。
Evans
水溶液
28
0. 02
0. 1
30 000
封装原型
碳 /氧化镍
ESMA
水溶液
1. 7
50 000
8 - 10
80 - 100
商品化
2 超级电容器的特点 [ 8 ]
超级电容器作为一种新的储能元件 ,具有如下优点 : 1)超高电容量 (0. 1～50 000F) 。比同体积钽 、铝电解 电容器电容量大 2 000～50 000倍 。 2)漏电流极小 ,具有电压记忆功能 ,电压保持时间长 。 3)功率密度高 ,可作为功率辅助器 ,供给大电流 。 4)充放电效率高 ,具有超长自身寿命和循环寿命 ,即 使几年不用仍可保留原有的性能指标 ,充放电次数大于 10万次 。 5)对过充放电有一定的承受能力 ,短时过压不会产生 严重影响 ,能反复地稳定充放电 。 6)温度范围宽 - 40 ℃～ + 70 ℃,一般电池是 - 20 ℃ ～ + 60 ℃。且免维护 ,环境友善 。 但是 ,目前超级电容器还有一些需要改进的地方 ,如 能量密度较低 ,体积能量密度较差 ,和电解电容器相比 ,工 作电压较低 ,一般水系电解液的单体工作电压为 0 V ～1. 4 V,且电解液腐蚀性强 ;非水系可以高达 4. 5 V ,实际使用 的一般为 3. 5 V ,作为非水系电解液要求高纯度 、无水 ,价 格较高 ,并且非水系要求苛刻的装配环境 。
双电层电容器
EL IT KORCH IP
ELNA
碳纤维复合物 碳凝胶
M axwe ll Sup e rfa rad PowerStor
导电聚合物膜 Los A lamos National Lab
国外超级电容器研究状况
电解液 有机电解液 有机电解液 有机电解液 有机电解液
水溶液 水溶液 有机电解液 有机电解液 有机电解液 有机电解液
目前超级电容器正逐渐步入成熟期 ,市场越来越大 , 有越来越多的公司聚焦到生产超级电容器上 。以下以超 级电容器应用的电流等级不同 ,介绍超级电容器的应用范 围。
1)应用在 100 μA 以下的 ,主要作为记忆体的后备电 源 ,可以作为 CMOS、RAM、IC的时钟电源 。在医疗器械 、 微波炉 、手持终端 、校准仪等中得到应用 。
有机电解液
2. 8
0. 8
1. 2
2 000
实验室原型
氧化还原 电容器
混合金属 氧化物
P innac le Research
水溶液
15 100
in stitu te
125
封装原型
0. 5 - 0. 6
200
1
没有封装的
US A rmy Fort
水溶液
5
1
1. 5
4 000
实验室原型
混合电容器 RuO2 / Ta电介质
2)应用在 500 μA 以下的 ,主要作为主供电的后备电 源 。在数字调频音响系统 、可编程消费电子产品 、洗衣机 等中作为 CMOS、RAM、IC的时钟电源并在测量仪器 、自动 控制模块等中提供高温 85 ℃条件下系统时钟电源 。
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现代机械 2009年第 4期
3)应用在最高 50 mA 的 ,主要用作电压补偿 。在引擎 启动时 ,主电压突降 ,它可以作为汽车音响后备电源 ,进行 电压补偿 。同样用在磁带机 、影碟机电机以及计量表启动 时。
6)应用在 50 A 以上的 ,主要提供超大电流放电 。主 要用于汽车 、坦克等内燃发动机的电启动系统 ,以解决怠 速启动问题 [11 ] 、直流屏 、电动汽车 、储能焊机 、电焊机 、大 型通讯设备 、抗电网瞬态波动系统等 。
4 超级电容器使用注意事项
1)电容器在使用前 ,应确认极性 。它不可应用于高频 率充放电的电路中 ,且应在标称电压下使用 ,若超过将会 导致电解液分解 、电容器发热 、容量下降 、内阻增大 、寿命 缩短 ,某些情况下 ,可导致电容器性能崩溃 。
Rev iew of Supercapac itors
YANG Shengy i, W EN Fang
Abstract: A s a new kind energy storage device, supercapacitors has large discharge power, large capacitance as farad grade, higher en2 ergy, wider operating temperature range, longer service life, free2maintenance, econom ic and environmental p rotection, which is between common capacitor and chem ical batteries. This paper includes supercapacitors’p rincip le, main performance index, development status and characteristics, and sum s up supercapacitors’research status. A t last, it points out attention in use and resolvent.
2)电容器由于内阻较大 ,放电瞬间存在电压降 。 3)电容器不能置于高温 、高湿的或含有有毒气体的环 境中 ,应在温度 - 30 ℃～ + 50 ℃、相对湿度小于 60%的 环境下储存 ,应避免温度骤升骤降 。 4)电容器用于双面电路板 ,需注意连接处不可经过电 容器可触及的地方 。电容器串联使用时 ,存在单体间的电 压均衡问题 [12 ] 。单纯的串联会导致某个或几个单体电容 器因过压而损坏 ,从而影响其整体性能 [9 ] 。 5)将电容器焊接到线路板上时 ,勿使壳体与线路板接 触 ,且在焊接过程中避免使电容器过热 。焊接完成后 ,不 可强行倾斜或扭动电容器 ,而且电容器及线路板需进行清 洗。
1 超级电容器的原理及发展状况
111 超级电容器的原理 根据储存电能机理的不同分为两类 :一类是基于高比表
面积碳材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容器 ( Elec2 tric double layer capacitor , EDLC) ;另一类是在电极材料表面 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 极充电电位有关的法拉第准电容 ( Faraday Pseudo - capaci2 tor) [1] 。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。 112 超级电容器的发展状况
3 超级电容器应用研究状况
超级电容器作为大功率物理二次电源 ,在国民经济各 领域用途十分广泛 。各发达国家都把超级电容的研究列 为国家重点战略研究项目 。1996 年欧共体制定了超级电
容器的发展计划 ,日本“新阳光计划 ”中列出了超级电容 器的研制 ,美国能源部及国防部也制定了发展超级电容器 的研究计划 [9 ] 。我国从 80 年代开始研究超级电容器 ,北 京有色金属研究总院 、锦州电力电容器有限责任公司 、北 京科技大学 、北京化工大学 、北京理工大学等也陆续开展 超级电容器相关研究工作 。2005 年 ,中国科学院电工所 完成了用于光伏发电系统的 300 W h /1 kW 超级电容器储 能系统的研究开发工作 。2006年 8月 ,世界首条超级电容 公交商业示范线在上海率先启动 。上海振华港机利用超 级电容器作为轮胎式集装箱龙门起重机储能装置实现了 绿色 ,取得良好效果 。2008年 8月 ,北京理工大学具有自 主知识产权的纯电动动力系统应用到北京奥运用电动客 车中 。虽然针对超级电容器研究成果颇丰 ,但整体来看 , 我国的研究与应用水平明显落后于世界先进水平 。
4)应用在最高 1 A 的 ,主要作为小型设备主电源 。在 玩具 、智能电表水表煤气表 、热水器 、报警装置 、太阳能道 钌灯等作为主电源 。还在激发器和点火器中起激励作用 , 在短时间内供给大电流 。
5)应用在最高 50 A 的 ,主要提供大电流瞬时放电 。 主要用于不间断电源 、GPS、电动自行车 、风能太阳能的能 量储备等 。
实际上 ,后两种物质作电极的性能要优于碳材料 ,但昂 贵的贵金属材料以及性能不稳定的导电聚合物掺杂 ,使得后 两类超级电容器的研究多限于实验室 ,短期内不太可能进行 商业化。此外 ,还有使用不同正负电极材料的非对称型超级 电容器 (也称混合超级电容器或杂化超级电容器 ) ,其储能能 力大大增加 [3] 。
·82· 文章编号 : 1002 - 6886 (2009) 04 - 0082 - 03
现代机械 2009年第 4期
超级电容器综述
杨盛毅 , 文方
(贵州大学电气工程学院 ,贵州 贵阳 550003)
摘要 :超级电容器是一种介于常规电容器与化学电池二者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和极长的使用寿命 、免维护 、经济环保等优点 。本文介绍了超级电容器的原理 、发展状况 及特点。归纳了超级电容器应用研究状况 ,并指出使用中应注意的事项及解决方法。 关键词 :超级电容器 发展 应用 原理 综述 中图分类号 : TM53 文献标识码 : A
6
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商品化
0. 01 - 100
0. 5
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商品化
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900 - 1 000 商品化
0. 022 - 4. 7
商品化
0. 22 - 100
商品化
5 - 3 000
3 - 5. 52
400 - 17 500 商品化
250
5
200 - 300 封装原型
7. 5
0. 4
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商品化
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 , Econd 和 EL IT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、Maxwell、Powerstor、Evans, SAFT, Cap - xx,NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活 跃 [4 - 5] 。总的来说 ,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 ,实现产业化的基本上都是双电层电 容器 [6] 。现将国外在电化学电容器方面的主要研究情况列 于表 1[7] 。
作者简介 :杨盛毅 (1986 - ) ,男 ,布依族 ,贵州平塘人 ,在读硕士研究生 ,研究方向为计算机测控技术。 收稿日期 : 2009 - 3 - 5
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表 1
类型
电极材料 公司 /实验室
碳粒复合物
Panasonic
Saft/A lcatel
CAP - xx
NEC - TOKIN
电压 V 3 - 5. 5
3 2. 3 - 5. 5 2. 7 - 12
450 3. 6 - 9 2. 5 - 25
2. 7 40 3-5
电容量 F 比能量 Wh·kg- 1 比功率 W·kg- 1 状况
800 - 2 000
3-4
200 - 400
商品化
130
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封装原型
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