电化学超级电容原理及应用知识讲解
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❖ （2）以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化 还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器。 与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容 器的容量要大 10～100倍 ，因此可以制成体积非常小、 容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军 事领域。
超级电容器的优缺点
❖优点：在很小的体积下达到法拉级的电容 量；无须特别的充电电路和控制放电电路 ；与电池相比过充、过放都不对其寿命构 成负面影响；从环保的角度考虑，它是一 种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不 存在像电池接触不牢固等问题
❖ 超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种 材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超 级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其 值小于10埃。超级电容能量密度较传统电容高，但功率密度较 之低。
超级电容与电池的比较
❖ 超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电 流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）
电化学超级电容原理及应用
目录
❖1、超级电容的原理和特点 ❖2、超级电容的性能指标 ❖3、超级电容与普通物理电容比较 ❖4、超级电容与可充电池比较 ❖5、超级电容的应用
超级电容器的分类
❖ 根据使用电极材料的不同可分为两大类： ❖ （1）以炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存
电荷，本质是静ຫໍສະໝຸດ Baidu型能量储存方式，通常被称作双电层 电容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有 关，因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料，从 而增加电容量。例如，活性碳的表面积可达1000m2/g， 电容量可达100F/g，且碳材料还具有成本低，技术成熟 等优点，该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。
❖ d.消费电子----音响、视频和其它电子产品断电时 须用记忆保持电路的产品；电子玩具；无线电话； 电热水瓶；照相机闪光灯系统；助听器
超级电容在无线通讯中的应用
❖在无线通讯中，GSM/GPRS无线调制解调 器传输数据过程中，需要输出电压3V左右 ，输出200-300mA的电流脉冲，脉冲时间 为秒级，期间还另需要一次达2A的电流脉 冲，脉冲时间为毫秒级。
❖常态脉冲电流供电可由常规型号单体电池 实现，而达到2A以上的大电流脉冲则只能 依靠超级电容来实现。
超级电容在智能水表中的应用
❖ 传统的智能水表，在控制水阀开启和关断时，普遍采用的 方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、 自放电率低等。但当电池电量不足时，不能有效监测，将 无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出 现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接 影响到它的推广和使用。
超级电容在电动汽车中的应用
❖电动汽车的辅助动力 ❖改善汽车的启动性能
图示为燃料电池汽车的起动过程，由于超 级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率， 从而使汽车起步过程大大加快。
图示为超级电容应用于电动车的典型结构
UCMS（超级电容管理系统）主要作用是管理每个单体电流的大小，防止电压 超过电解质的分解电压而造成损坏，限制单体不均匀性的影响。从而使超级电 容组稳定可靠的工作，提高超级电容组整体的效率和寿命。 DC/DC一般为电流型升压变换器，主要作用是控制电容器的能量输入输出，协 调超级电容电压和电池电压 。
❖ 将超级电容（450F/16.2V）与蓄电池（ 12V/45Ah ）并联使用可显著改善启 动性能。启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V;启动电流从 560A提高到1200A;启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到8.7kW;启动过程 的平稳电压由7V提高到9.4V;启动过程的平稳电流由280A提高到440A;启动 过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。
❖ 新方案用超级电容替换锂电池，封装在水表中，同时外接 干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级 电容充电；而当电池电压过低，或突然断电时（如取下电 池），由超级电容继续为电路提供电源，同时，超级电容 存储的能量足以关断阀门。
❖ 新方案优点：1、将电池与水表分离，可随时更换，延长水 表寿命。 2、超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性。
超级电容应用领域
❖ a.无线通讯----GSM手机通讯时脉冲电源；双向寻呼； 其它数据通讯设备
❖ b.移动电脑----手提数据终端；PDA；其它使用微处 理器的手提设备
❖ c.工业/汽车----智能水表、电表；远程载波抄表； 无线报警系统；电磁阀；电子门锁；脉冲电源； UPS；电动工具；汽车辅助系统；汽车启动设备
❖ 超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和 Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可 达68年
❖ 可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应 ，免维护，可密封
❖ 温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃
❖缺点 ：如果使用不当会造成电解质泄漏等 现象；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
超级电容与传统电容的比较
❖ 电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积 电容值为： C = ε·A / 3.6 πd 其中A为极板面积，d为介质厚度，ε为相对介电常数
❖ 传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将 一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。 另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这
❖ 特别是在低温或冬季寒冷的恶劣环境下，由于蓄电池的性能大大下降,很可能 不能正常启动或需多次启动才能成功,而超级电容器由于去高功率特性与蓄电 池并联时则仅需一次点火，其优点是非常明显的。
超级电容在汽车启动系统中的应用
❖ 汽车用蓄电池是启动专用蓄电池,可高倍率放电,但以超过10C的高倍率放电仍 会使其性能变得很差,且对蓄电池的损伤也很明显。（如用12V/45Ah的蓄电 池启动1.9升柴油机的汽车,其电压在启动瞬间由12.6V直降3.6V;启动瞬时电 流达550A,约为12C的放电率 ）
超级电容器的优缺点
❖优点：在很小的体积下达到法拉级的电容 量；无须特别的充电电路和控制放电电路 ；与电池相比过充、过放都不对其寿命构 成负面影响；从环保的角度考虑，它是一 种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不 存在像电池接触不牢固等问题
❖ 超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种 材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超 级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其 值小于10埃。超级电容能量密度较传统电容高，但功率密度较 之低。
超级电容与电池的比较
❖ 超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电 流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）
电化学超级电容原理及应用
目录
❖1、超级电容的原理和特点 ❖2、超级电容的性能指标 ❖3、超级电容与普通物理电容比较 ❖4、超级电容与可充电池比较 ❖5、超级电容的应用
超级电容器的分类
❖ 根据使用电极材料的不同可分为两大类： ❖ （1）以炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存
电荷，本质是静ຫໍສະໝຸດ Baidu型能量储存方式，通常被称作双电层 电容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有 关，因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料，从 而增加电容量。例如，活性碳的表面积可达1000m2/g， 电容量可达100F/g，且碳材料还具有成本低，技术成熟 等优点，该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。
❖ d.消费电子----音响、视频和其它电子产品断电时 须用记忆保持电路的产品；电子玩具；无线电话； 电热水瓶；照相机闪光灯系统；助听器
超级电容在无线通讯中的应用
❖在无线通讯中，GSM/GPRS无线调制解调 器传输数据过程中，需要输出电压3V左右 ，输出200-300mA的电流脉冲，脉冲时间 为秒级，期间还另需要一次达2A的电流脉 冲，脉冲时间为毫秒级。
❖常态脉冲电流供电可由常规型号单体电池 实现，而达到2A以上的大电流脉冲则只能 依靠超级电容来实现。
超级电容在智能水表中的应用
❖ 传统的智能水表，在控制水阀开启和关断时，普遍采用的 方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、 自放电率低等。但当电池电量不足时，不能有效监测，将 无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出 现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接 影响到它的推广和使用。
超级电容在电动汽车中的应用
❖电动汽车的辅助动力 ❖改善汽车的启动性能
图示为燃料电池汽车的起动过程，由于超 级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率， 从而使汽车起步过程大大加快。
图示为超级电容应用于电动车的典型结构
UCMS（超级电容管理系统）主要作用是管理每个单体电流的大小，防止电压 超过电解质的分解电压而造成损坏，限制单体不均匀性的影响。从而使超级电 容组稳定可靠的工作，提高超级电容组整体的效率和寿命。 DC/DC一般为电流型升压变换器，主要作用是控制电容器的能量输入输出，协 调超级电容电压和电池电压 。
❖ 将超级电容（450F/16.2V）与蓄电池（ 12V/45Ah ）并联使用可显著改善启 动性能。启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V;启动电流从 560A提高到1200A;启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到8.7kW;启动过程 的平稳电压由7V提高到9.4V;启动过程的平稳电流由280A提高到440A;启动 过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。
❖ 新方案用超级电容替换锂电池，封装在水表中，同时外接 干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级 电容充电；而当电池电压过低，或突然断电时（如取下电 池），由超级电容继续为电路提供电源，同时，超级电容 存储的能量足以关断阀门。
❖ 新方案优点：1、将电池与水表分离，可随时更换，延长水 表寿命。 2、超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性。
超级电容应用领域
❖ a.无线通讯----GSM手机通讯时脉冲电源；双向寻呼； 其它数据通讯设备
❖ b.移动电脑----手提数据终端；PDA；其它使用微处 理器的手提设备
❖ c.工业/汽车----智能水表、电表；远程载波抄表； 无线报警系统；电磁阀；电子门锁；脉冲电源； UPS；电动工具；汽车辅助系统；汽车启动设备
❖ 超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和 Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可 达68年
❖ 可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应 ，免维护，可密封
❖ 温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃
❖缺点 ：如果使用不当会造成电解质泄漏等 现象；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
超级电容与传统电容的比较
❖ 电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积 电容值为： C = ε·A / 3.6 πd 其中A为极板面积，d为介质厚度，ε为相对介电常数
❖ 传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将 一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。 另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这
❖ 特别是在低温或冬季寒冷的恶劣环境下，由于蓄电池的性能大大下降,很可能 不能正常启动或需多次启动才能成功,而超级电容器由于去高功率特性与蓄电 池并联时则仅需一次点火，其优点是非常明显的。
超级电容在汽车启动系统中的应用
❖ 汽车用蓄电池是启动专用蓄电池,可高倍率放电,但以超过10C的高倍率放电仍 会使其性能变得很差,且对蓄电池的损伤也很明显。（如用12V/45Ah的蓄电 池启动1.9升柴油机的汽车,其电压在启动瞬间由12.6V直降3.6V;启动瞬时电 流达550A,约为12C的放电率 ）