超级电容器特性及其应用技术(图)

超级电容器是一种新型的贮能器件，又称双电层电容器。这种新型能源器件所能存贮的能量比传统的物理电容器大1个数量级以上，同时又具有功率密度高、充电时间短、温度特性好、使用寿命长和绿色环保等优点，在工程车辆等设备上得到了广泛应用。

1.技术原理

超级电容器通过极化电解质来储能，其基本原理是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大电容量。

传统物理电容中储存的电能来源于电荷在2块极板上的分离，2块极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数为ε）所隔离，电容值C=εA/4πkd，其中A为极板面积，k为静电力常量，d为介质厚度；所储存的能量E = 1/2 C(ΔV)2 其中C为电容值，ΔV为极板间的电压降。可见，若想获得较大的电容量，储存更多的电能，必须增大面积A或减少介质厚度d。

超级电容器采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的多孔碳电极之间充填电解质溶液，当两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正、负电子，而电解质溶液中的正、负离子由于电场作用分别聚集到与正、负极板相对的界面上，从而形成2个集电层，相当于2个电容器串联（见图1）。

超级电容器比传统的物理电容器的容值大很多，容量比可以提高100倍以上，因而具有极大的电容量，并可以存储很大的静电能量。

就储能而言，超级电容器的这一特性介于传统电容器与电池之间。当2个电极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器处在正常工作状态(通常在3V以下)；如果电容器二端电压超过电解液的氧化还原电极电位，则电解液将分解，处于非正常状态。随着超级电容器的放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷相应减少。由此可以看出超级电容器与利用化学反应的蓄电池不同，其充、放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能稳定。

图1

2.主要特性

(1) 电容量大

超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解液的接触面积大，根据电容量的计算公式，2个极板的表面积越大，电容量就越大，因此，一般双电层电容器容量超过1 F，与普通电容器的容量范围相比跃升了3～4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5 000 F。

(2) 功率密度高

超级电容器的内阻很小，且在电极、溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速贮存和释放，因而输出功率密度高，是一般蓄电池的几十倍。

(3) 充放电循环寿命长

超级电容器在充、放电过程中没发生电化学反应，其循环寿命可达10万次以上。而蓄电池的充、放电循环寿命只有数百次，只有超级电容器的几十分之一。

(4) 充电时间短

超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，而蓄电池则需要8～12 h才能充电完毕。

(5) 放电电流大

如2 700 F的超级电容器额定放电电流不低于950 A，放电峰值电流可达1 680 A，一般蓄电池通常没有如此高的放电电流。一些高放电的蓄电池，在如此高的放电电流下，使用寿命将大大缩短。

(6) 温度特性好

超级电容器可以在很宽的温度范围内正常工作(-40～70 ℃)，而蓄电池很难在高温特别是在低温环境下工作。

(7) 可靠性高

超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因而可靠性非常高。

(8) 绿色环保

超级电容器的材料是安全和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性。超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，若采取均压措施后，还可以串联使用。