淺析超級電容器的應用及前景

徐瑞

(沈陽師范大學物理科學與技術學院，遼寧 沈陽 110000)

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淺析超級電容器的應用及前景

徐瑞

(沈陽師范大學物理科學與技術學院，遼寧 沈陽 110000)

摘要：超級電容器屬于儲能裝置的一種升級版，其憑借著自身使用壽命長、功率密度高、充電迅速、使用溫度寬等優點而被廣泛應用。就超級電容器的原理及應用為主要研究對象，探析超級電容器的分類、原理、特點及應用。

關鍵詞：超級電容器贗電容器原理特點應用

1超級電容器分類

就電極而言，超級電容器可劃分為貴金屬氧化物電極電容器、碳電極電容器及導電聚合物電容器。

就電能機理而言，超級電容器分為雙電層電容器、法拉第準電容(貴金屬氧化物及貴金屬電極)；電容產生機理是以電活性離子在貴金屬電極表面的欠電位沉積現象或在貴金屬氧化物電極體相及其表面的氧化還原反應為依據的吸附電容。與雙電層電容相比較，吸附電容完全不相同，此外，吸附電容的比電容將隨著電荷傳遞的向前推進而不斷增大。

就超級電容器電極上的反應情況及結構而言，超級電容器可劃分為非對稱型及對稱型。對稱型超級電容器即為兩個電極反應相同、組成相同、反應方向相反，例如貴金屬氧化物、碳電極雙電層電容器等。非對稱型超級電容器即為兩個電極反應不同、電極組成不同。

超級電容器可用電壓的最大值取決于電解質分解電壓。電解質可為強堿、強酸等水溶液，亦或鹽的質子惰性溶劑等。通過水溶液體系，超級電容器可獲取高比功率及高容量的最大可用電壓；通過有機溶液體系，超級電容器可獲取高電壓，并獲取高比能量。

2超級電容器的原理

就存儲電能的機理而言，超級電容器分為贗電容器及雙電層電容器。在本案，筆者就贗電容器及雙電層電容器為研究對象，探析其原理。

2.1雙電層電容器原理。雙電層電容器屬于一種新型元器件，其能量儲存主要是通過電解質與電極間界面雙層得以實現。若電解液與電極間相互接觸，因分子間力、庫倫力及原子間力作用力的存在，其勢必會引起固液界面產生一個雙層電荷，該電荷具備符號相反及穩定性強的特點。

雙電層電容器的電極材料主要是多孔碳材料(碳氣凝膠、活性炭纖維及炭粉末等活性炭、碳納米管)。通常情況下，就雙電層電容器的電極材料而言，其孔隙率影響著其容量大小，即電極材料比表面積隨著孔隙率的增高而變大，雙電層電容隨著孔隙率的增高而變大。需要強調的一點是，孔隙率的增高與電容器的變大間無規律性可言，但電極材料的孔徑大小卻保持在2-50mm范圍內，其對孔隙率的提高、材料有效比表面積的提高及雙電層電容的提高意義至關重要。

2.2法拉第電容器原理。近年來，超級電容器電極材料新增了導電聚合物。聚合物產品電子電導率極好其電子電導率不典型數值高度1-100S/cm。以還原反應及電化學氧化反應為依托，在電子軛聚合物鏈上，導電聚合物引入負電荷及正電荷中心，此時，電極的電勢決定了負電荷及正電荷中心的充電程度。導電聚合物能量存儲的途徑為法拉第過程。現階段，能夠于較高還原電位條件下高穩定低發生電化學n型摻雜的導電聚合物數量相當少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。

3超級電容器的特點

3.1優點。(1)容量超高：超級電容器容量范圍處于0.1-6000F，其等同于同體積電解電容器的2000-6000倍。(2)高功率密度：超級電容器主要提供瞬時大電流，其短時斷流高達幾百至幾千安培，且其功率密度等同于電池的10-100倍，即10*103W/kg。(3)高充放電效率，長使用壽命：超級電容器充放電過程對電極材料結構無任何負面影響，且電極材料使用次數對使用壽命無任何負面影響。(4)溫度范圍寬，即-40-70℃：溫度對超級電容器電極材料反應速率的負面影響程度較輕。(5)環保、免維護：超級電容器材料無毒、安全、環保。(6)可長時間放置：超級電容器因長時間放置而導致起電壓下降，但只需對其充電便可使其電壓復原，且超級電容器容量性能不會因此受到任何影響。

3.2缺點。超級電容器的缺點主要是漏電流量大、能量密度低級單體工作電壓低等。

4超級電容器的應用

超級電容器憑借自身眾多優點而被廣泛應用于各行各業，例如：充當記憶器、計時器、內燃機啟動電力；電腦等電子產品；航空；太陽能電池輔助電源；電動玩具車主電源等領域。在本案，筆者就超級電容器于消費電子、電動汽車及混合電動汽車、電力系統級內燃機車啟動等四大領域的應用展開探討。

4.1消費電子。超級電容器憑借著自身循環壽命長、儲能高、質量輕等優點而被廣泛應用于微型計算機、存儲器、鐘表及系統主板等備用電源領域。超級電容器的充電時間較短，但充電能量較大。若因主電源接觸不良或中斷等因素而導致系統電壓降低，則超級電容器將起后備補充的作用，以防止儀器因突然斷電而受到損壞。

4.2電動汽車及混合電動汽車。超級電容器的獨特優勢大大滿足了電動汽車對電動電源的需求。相對于超級電容器，傳統動力電池因在快速充電、使用壽命、高功率輸出及寬溫度范圍等方面均存在局限而不能最大程度滿足電動汽車動力電源的需要。就電動車加速、啟動或爬坡等高功率需求環節，超級電容器為其提供了極大的方便。如果將超級電容器配合動力電池使用，則電池受到大電流充放電的負面影響將大幅度降低。此外，在再生自動系統的協助下，可將瞬間能量回收，以提高超級電容器能量利用率。

4.3電力系統。隨著超級電容器的問世，電解電容器已逐漸被超級電容器所取代。若將超級電容器應用到高壓開關站或變電站硅整流分合閘裝置中，其將發揮儲能裝置的作用，并能有效地解決電解電容器因漏電流大及儲能低等缺點而引發的分合閘裝置可靠性降低等缺陷，且能最大化規避相關安全事故的發生。與此同時，若以超級電容器取代電解電容器，其不僅能夠保持原裝置的簡單結構，且能有效地減少電力系統的維護量，并能大幅度降低電力系統運行成本。

4.4內燃機車啟動。通常情況下，內燃機車柴油發電機組啟動主要依靠蓄電池組。但因蓄電池向外放電所需時間較長，尤其是冬天，其時間要求更是嚴格，則其使用效果不理想，且其經濟性及環保性不高。針對這一點，德國研究人員首先做出了將超級電容器應用于汽車啟動上的嘗試，他們試圖通過超級電容器解決怠速汽車因停車導致的能源浪費等問題。實驗結果顯示，超級電容器蓄電池組質量僅為1/3傳統車用蓄電池組，但其實現了將啟動機啟動扭矩提高1/2，從而有效地增加了內燃機車啟動轉速。

中圖分類號:TB34

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)04-0017-01

作者簡介：徐瑞(1994.05-)，男，漢，遼寧遼中人，沈陽師范大學物理科學與技術學院電子信息工程專業。