超級電容器綜述

超級電容器又稱電化學電容器或雙電層電容器，是一種新型儲能器件，它利用電極/電解質交界面上的雙電層或在電極界面上發生快速、可逆的氧化還原反應來儲存能量。

　　超級電容器采用活性碳材料制作成多孔碳電極，同時在相對的多孔電極之間充填電解質溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別*正負電子，而電解質溶液中的正負離子將由于電場作用分別*到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個集電層。

　　由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積（即獲得了極大的電極面積），而且電解質與多孔電極間的界面距離不到1nm（即獲得了極小的介質厚度），所以這種雙電層結構的超級電容器比傳統的物理電容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能。

　　目前國際上研究與發展的超級電容器可歸為以下幾類：

　　●雙層電容器（Double layer capacitor）

　　由高表面碳電極在水溶液電解質（如硫酸等）或有機電解質溶液中形成的雙電層電容，如圖6-12.1所示。該圖還表示出一個典型雙電層的形成原理，顯然雙電層是在電極材料（包括其空隙中）與電解質交界面兩側形成的，雙電層電容量的大小取決于雙電層上分離電荷的數量，因此電極材料和電解質對電容量的影響最大。一般都采用多孔高表面積碳作為雙層電容器電極材料，其比表面積可達1000－3000m2/g，比電容可達280F/g。

　　●贗電容器（Pseudo－capacitor）

　　由電極表面上或者體相中的二維或準二維空間上發生活性材料的欠電位沉積，形成高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應產生和電極充電電位有關的電容，又稱法拉第準電容；典型的贗電容器是由金屬氧化物，如氧化釕構成的，其比電容高達760F/g。但由于氧化釕太貴，現已開始采用氧化鈷、氧化鎳和二氧化錳來取代；

　　●混合電容器（Hybrid capacitor）

　　由半個形成雙層電容的碳電極與半個導電聚合物或其他無機化合物的表面反應或電極嵌入反應電極等構成。目前在水溶液電解質體系中，已有碳/氧化鎳混合電容器產品，同時正在發展有機電解質體系的碳/碳（鋰離子嵌入反應碳材料）、碳/二氧化錳等混合電容器。

　　此外，若按照電容器采用的電極材料分類，則可分為碳基型、氧化物型和導電聚合物型；而按采用的電解質類型分類，則又分為水溶液電解質型和非水電解質型（主要為有機電解質型）。在有機電解質溶液中，電容器的工作電壓可提高至2.5V以上。

　　超級電容器的性能特點

　　超級電容器是介于電容器和電池之間的儲能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電化學電池的儲能機理，性能比較詳見下表。

　　超級電容器作為一種新型能源器件，具有以下主要優點：

　　（1）功率密度高

　　超級電容器的內阻很小，且在電極/溶液界面和電極材料本體內部均能夠實現電荷的快速貯存和釋放，因此它的輸出功率密度高達數千瓦/千克，是任何一種化學電源都無法比擬的，是一般蓄電池的數十倍。

　　（2）充放電循環壽命長

　　超級電容器在充放電過程中只有離子和電荷的傳遞，沒有發生電化學反應而引起相變，因此其容量幾乎沒有衰減，循環壽命可達萬次以上，遠遠大于蓄電池的充放電循環壽命。

　?。?）充電時間短

　　從目前已經做出的超級電容器充電試驗結果來看，在電流密度為7mA/cm2時（相當于一般蓄電池充電電流密度），全充電時間只要10~12分鐘，而蓄電池在這么短的時間內是無法實現全充電的。

　?。?）特殊的功率密度和適度能量密度

　　對于普通蓄電池來說，如果能量密度高，其功率密度不會太高；而功率密度高，其能量密度則不會太高。但超級電容器在提供1～5kW/kg高功率密度輸出的同時，其能量密度可以達到5～20Wh/kg。若將它與蓄電池組合起來，就會組成為一個兼有高能量密度和高功率密度輸出的儲能系統。

　　（5）貯存壽命長

　　超級電容器在充電之后的貯存過程中，雖然也存在微小的漏電電流，但這種發生在超級電容器內部的離子或質子遷移運動是在電場的作用下產生的，并沒有出現化學或電化學反應，電極材料在電解質中也是相對穩定的，因此超級電容器的貯存壽命幾乎是無限的。

　　（6）工作溫度范圍寬

　　超級電容器可在-50～+75℃的溫度條件下工作，性能優于傳統電容器和蓄電池。

　　超級電容器的應用

　　超級電容器的脈沖功率性能、較長的應用產品壽命、能夠在極端的溫度環境中可靠操作的特點，完全適合于那些需要在幾分之一秒至幾分鐘時間的重復電能脈沖的應用產品，使其成為運輸、可再生能源、工業與消費電子以及其它應用產品的首選蓄能與電力傳輸解決方案，例如在電動汽車（EV/HEV）、軍工、輕軌、航空、電動自行車、后備電源、發電（風能發電、太陽能發電）、通訊、消費和娛樂電子、信號監控等領域的電源應用方面具有廣闊的市場前景。

　　近年來，由于能源問題和環境保護的要求，世界上對電動汽車和混合動力汽車的需求越來越緊迫，電動汽車的關鍵部分是蓄電池，但蓄電池的峰值功率特性無法滿足汽車在啟動、加速和爬坡等特殊情況下對功率的需求。超級電容器在電動汽車中與蓄電池并聯作輔助電源上的應用，可以彌補蓄電池在功率特性方面的不足。當汽車處于正常行駛狀態時，超級電容器處于充電狀態，在加速或載重爬坡特殊情況下由超級電容器實現高功率放電，突然制動時，則通過超級電容器的高功率充電吸收制動過程中產生的能量。超級電容器的使用可以滿足電動汽車的啟動、制動和爬坡時對高功率放電的需求，起到平衡蓄電池負載的作用，可以延長蓄電池的使用壽命。

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