淺析超級電容器的應用及發(fā)展趨勢

豐駿 朱云松 丁曉峰

摘 要：超級電容器是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型儲能器件，它充電速度快、使用壽命長、低溫性能優(yōu)越、功率密度大等優(yōu)勢吸引著工程師們的興趣。因此，要加強超級電容器的研究，以應對石化燃料短缺、溫室效應和日益嚴重的環(huán)境污染問題，滿足各個領域的需求。本文對超級電容器的分類、特點、應用現狀和面臨的問題進行簡要論述，并展望超級電容器未來廣闊的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：超級電容器；應用；發(fā)展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.154

超級電容器 （Super Capacitor），也被稱為電化學容器（Electrochemical Capacitor.EC），是一種進行快速儲存和釋放電能的裝置。其單個電容器耐壓大多為2.5V、2.7V，最新的技術可以達到3V，雖然耐壓低于普通電容器，但電容量卻大大超過普通電容器，從幾十法拉到幾千法拉。近幾年來，超級電容器展示出在應用方面強大的生命力，它的發(fā)展也持續(xù)推陳出新，技術水平不斷提高，吸引著世界各國的矚目。

1 超級電容器的主要分類及特點

超級電容器以儲能機理為依據進行分類，主要分為雙電層電容器和贗電容器。前者主要是因為電極表面及電解液離子之間的相互吸附作用，進而形成了界面雙電層電容用于儲能能量[1]。后者又稱法拉第贗電容，是以法拉第過程為基礎的。在電極表面或電極內部，利用電極活性物質引發(fā)電化學反應，進而產生同電極充電電位相關的電容[2]進行能量儲存。

相對于其他電容器，超級電容器主要有以下幾大特點：（1）功率密度高，為電池的幾十倍。（2）充電速度快，在不超過數分鐘就能夠快速完成充電。（3）放電能力強，能量轉換效率高，循環(huán)過程能量損失小。（4）使用壽命長，充放電過程具有良好的可逆性，電極材料比較穩(wěn)定。（5）溫度工作性能強大，它的容量隨溫度衰減低，在-40～70℃都可正常使用。（6）安全系數高，充放電線路簡單，免維護。（7）環(huán)保無污染，產品的各個過程都無污染，節(jié)約能源，綠色環(huán)保。

2 超級電容器的應用

（1）交通運輸。超級電容器在軌道交通、新能源汽車、太陽能路燈、啟停系統(tǒng)等交通方面的應用，從根本上解決了蓄能電池循環(huán)壽命短、污染環(huán)境、工作性能差等問題，有效減少車輛油耗，降低排放，充分發(fā)揮制動能量回收和穩(wěn)定電壓的作用。

（2）可再生能源。風能、潮汐能、生物質能、太陽能等可再生能源與儲能技術的結合，提高利用率和儲存量。例如，在風力發(fā)電中，超級電容器憑借其功率密度大的優(yōu)勢，為風力控制系統(tǒng)提供較大的輸出功率，快速感應風力變化。而且其免維修、溫度性能好的優(yōu)勢，降低了對儲能系統(tǒng)的維修成本。

（3）工業(yè)應用。在工業(yè)方面的應用主要有工業(yè)機械、智能儀表、應急電源等，比如說煉鋼廠的高爐冷卻水因為必須持續(xù)供應，所以水泵應急電源是必不可少的，當突然停電斷電時，超級電容器會迅速提供極高的輸出功率幫助發(fā)電機快速啟動，來保證工業(yè)生產的穩(wěn)定性。

（4）軍事領域。激光探測儀、重型卡車、坦克、雷達、艦載速射炮等對儲能系統(tǒng)的期望極大，應用超級電容器，實現高功率輸出和快速充電。超級電容器是一個極佳的電源。

3 超級電容器目前正在面臨的問題

（1）自身技術不過硬。當前，在電能存儲這一方面，超級電容器與電池之間的差距不可忽視，其額定電壓低，能量密度、分離器穩(wěn)定性有待突破。通過改進制作工藝與技術、尋找其核心組成材料的方式，都可以有效提高單位體積內的儲能密度，如模組化設計、石墨烯材料應用。為了提升超級電容器自身技術，需要一些高新技術的開發(fā)和應用。

（2）行業(yè)標準不一致。任何一個產品的健康發(fā)展都脫離不了行業(yè)及市場的嚴格監(jiān)管。制定統(tǒng)一的行業(yè)標準，為超級電容器行業(yè)創(chuàng)建基準線，是推動該領域健康、快速、可持續(xù)發(fā)展的基本前提。目前國內還沒有超級電容器產品的統(tǒng)一標準，但該問題已經引起國家重視，自2016年，相關組織以及規(guī)范了部分產品的行業(yè)標準，并在不斷完善中[3]。

4 超級電容器的發(fā)展趨勢

（1）滿足社會需求，推動產業(yè)發(fā)展。電子工業(yè)的快速發(fā)展，對高容量、便攜帶的電源需求愈加緊迫。這些社會需求在一定程度上推動了超級電容器產業(yè)的迅猛發(fā)展，市場前景十分廣闊。另外，世界對能源消耗和環(huán)境保護的關注度越來越高，渴望獲得更多的清潔能源加以利用，新能源的出現和節(jié)能技術的規(guī)?；瘧?，使得超級電容器拓展了更大的應用領域。

（2）提高產品性能，降低生產成本。提高超級電容器自身技術，除了改進制作工藝與技術，尋找穩(wěn)定有效的電極、電解液材料以提高性能，同時降低成本也是該研究領域的熱點。例如選用廉價的天然礦產資源應用于超級電容器，從而達到提高產品自身性能的同時，有效地降低生產成本。這也將會是該產品未來發(fā)展的主方向和戰(zhàn)略目標。

（3）加強技術研發(fā)，開發(fā)超級電池。相對于超級電容器，在能量密度、倍率性能、壽命時間、生產成本等方面，目前開發(fā)的超級電池呈現出更明顯的優(yōu)勢。美國斯坦福大學戴宏杰教授做出的開創(chuàng)性工作，為鋁離子電池的研究領域做出巨大貢獻。加強技術研發(fā)，尋找廉價的電解質，提高正極比容量，開發(fā)超級電池無疑是一個很好的選擇。

（4）重視基礎科研，優(yōu)選產業(yè)方向。雖然我國超級電容器產業(yè)的發(fā)展速度快，但是發(fā)展時間較短，在核心技術上沒有穩(wěn)定的基礎。我國超級電容器行業(yè)在國際競爭處于劣勢，基于此現狀，政府和企業(yè)需加大投資力度，加強基礎性科學研究，提高創(chuàng)新水平，專注核心技術的突破，選擇合適的產業(yè)方向，提升競爭力。

5 結束語

不遺余力地對超級電容器進行研究和開發(fā)，有序推動其規(guī)模化應用，促進達到其更輕、供電能力更強的目標，激發(fā)市場潛能，實現其在電力、國防、通信、交通運輸、工業(yè)控制等各個領域的應用價值，為人們生活創(chuàng)造更多的便利。

參考文獻：

[1]余麗麗，朱俊杰，趙景泰.超級電容器的現狀及發(fā)展趨勢[J].自然雜志，2015，37（03）：188-196.

[2]王超，蘇偉，鐘國彬，魏增福，徐凱琪.超級電容器及其在新能源領域的應用[J].廣東電力，2015，28（12）：46-52.

[3]王釗，趙智博，關士友.超級電容器的應用現狀及發(fā)展趨勢[J].江蘇科技信息，2016（27）：69-71.