超級(jí)電容器的原理及應(yīng)用

李夢(mèng)格 李杰

摘要：超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)電池和傳統(tǒng)電容器之間的一種新型儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容器因其具有高比功率、能迅速充放電、綠色環(huán)保、無(wú)須維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視，也逐漸應(yīng)用于生活中的方方面面。本文著重介紹了超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理和主要應(yīng)用領(lǐng)域，并且對(duì)超級(jí)電容器的性能特點(diǎn)及分類(lèi)做了簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器;儲(chǔ)能原理;性能特點(diǎn);應(yīng)用領(lǐng)域

1簡(jiǎn)介

在宏觀經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的條件下，人們的物質(zhì)水平及生活質(zhì)量在不斷地提高，對(duì)能源的需求也逐漸增大，造成能源危機(jī)日益加重。面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和傳統(tǒng)普通電池存在使用壽命較短、污染環(huán)境等劣勢(shì)現(xiàn)象，使得人們不得不開(kāi)始尋找新型能源的開(kāi)發(fā)利用。超級(jí)電容器（Supercapacitors）就是在如何解決人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)需求與我國(guó)現(xiàn)存的能源短缺的矛盾的條件下應(yīng)運(yùn)而生。超級(jí)電容器是一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其儲(chǔ)能過(guò)程高度可逆。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：超級(jí)電容器具有法拉級(jí)的大容量，其功率密度遠(yuǎn)大于普通電池的功率密度，并且兼具充放電效率高、綠色環(huán)保、無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)。正是由于超級(jí)電容器具備的這些特點(diǎn)，使得人們一再重視并不斷研究如何提高超級(jí)電容器性能的課題。但是，與普通電池相比，超級(jí)電容器的能量密度遠(yuǎn)低于普通電池，這一原因在一定程度上限制了超級(jí)電容器的發(fā)展。如何增大超級(jí)電容器的比容量，成為發(fā)展超級(jí)電容器面臨的難題之一。有學(xué)者提出：普通電池具有很大的比容量，將超級(jí)電容器與普通電池結(jié)合起來(lái)使用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)其長(zhǎng)避其短，是未來(lái)儲(chǔ)能器件的發(fā)展方向之一。

2超級(jí)電容器的概述

2.1超級(jí)電容器的基本概念

超級(jí)電容器是一類(lèi)類(lèi)似于蓄電池而又有一定程度差別的儲(chǔ)能裝置。它是一種介于普通電池和普通電容器之間的電化學(xué)元件，能量的儲(chǔ)存主要是通過(guò)極化電解質(zhì)。其儲(chǔ)能過(guò)程不僅高度可逆，而且是物理變化過(guò)程。因此，超級(jí)電容器既能夠反復(fù)充放電，又不會(huì)對(duì)比電容產(chǎn)生任何影響。

2.2超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理

按照儲(chǔ)能原理機(jī)制，超級(jí)電容器分為以下兩類(lèi)：雙電層電容和準(zhǔn)電容（又稱(chēng)法拉第贗電容）。

（1）雙電層電容。雙電層電容器儲(chǔ)存能量的途徑，主要是通過(guò)電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙層。[1]所謂界面雙層，是指在雙電層電容器中電極與電解液相互接觸，在庫(kù)倫力、分子及原子間作用力的相互影響下，固液界面上出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的雙層電荷。a.充電過(guò)程：在兩電極上施加電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，電解液中的陰陽(yáng)離子分別向正負(fù)兩極移動(dòng)，從而形成雙電層;撤去電場(chǎng)后，利用同種電荷相互排斥異種電荷相互吸引的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)雙電層的穩(wěn)定，產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢(shì)差。b.放電過(guò)程：將電極與外電路連通，在電勢(shì)差的作用下，電子發(fā)生定向移動(dòng)形成外電流。此時(shí)吸附在電極表面上的陰陽(yáng)離子回到電解液本體，雙電層解體。

（2）準(zhǔn)電容。準(zhǔn)電容器主要是指在電極材料表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附脫附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于反應(yīng)在整個(gè)體相中進(jìn)行，因而這種體系可實(shí)現(xiàn)的電容較大。[2]a.充電過(guò)程：將電極與外電路連通，在外電場(chǎng)的作用下，電極或溶液表面聚集大量的陰陽(yáng)離子，通過(guò)氧化還原反應(yīng)，這些離子進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而實(shí)現(xiàn)電荷的儲(chǔ)存。b.放電過(guò)程：進(jìn)入氧化物中的離子通過(guò)以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時(shí)將所存儲(chǔ)的電荷通過(guò)外電路釋放出來(lái)。

2.3超級(jí)電容器的分類(lèi)

對(duì)于超級(jí)電容器而言，可從不同方面對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，具體分類(lèi)如下：

（1）從儲(chǔ)能原理方面，可分為雙電層電容器、準(zhǔn)電容器和混合型電容器?；旌闲碗娙萜鹘鉀Q了蓄電池的功率密度低和超級(jí)電容器能量密度較低的缺點(diǎn)，而且不必借助串聯(lián)結(jié)構(gòu)，混合型超級(jí)電容器就能滿足工作電壓的需求。

（2）從電極材料方面，可分為碳電極電容器、導(dǎo)電聚合物電容器和貴金屬氧化物電極電容器。其中由于活性炭的成本較低、比表面積高、容量大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

（3）從電極上的反應(yīng)情況及結(jié)構(gòu)方面，可分為對(duì)稱(chēng)型和非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器。對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器的特點(diǎn)是電極組成相同、反應(yīng)相同、反應(yīng)方向相反;非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器的特點(diǎn)是電極組成不同、反應(yīng)不同。

3超級(jí)電容器的特點(diǎn)

3.1超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于其它儲(chǔ)能裝置而言，超級(jí)電容器主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)[3]：（1）高比功率：超級(jí)電容器的功率密度是普通電池的10～100倍。（2）使用壽命長(zhǎng)、充放電效率高：超級(jí)電容器的充放電過(guò)程是物理變化，理論上可充放電數(shù)十萬(wàn)次乃至無(wú)窮大，而且能夠迅速充放電。（3）作用溫度范圍寬：在超級(jí)電容器的充放電過(guò)程中，電荷的轉(zhuǎn)移主要是在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，隨溫度的變化其容量不會(huì)發(fā)生較大的變化，在-40～70攝氏度的環(huán)境下均能正常工作。（4）可靠性高：久置不用，普通電池和超級(jí)電容器都會(huì)發(fā)生電壓降低的現(xiàn)象，對(duì)它們進(jìn)行充電便可使電壓復(fù)原。與普通電池不同的是，超級(jí)電容器的容量性能不會(huì)因此受到任何影響。（5）綠色環(huán)保、無(wú)污染：超級(jí)電容器在生產(chǎn)、裝備、工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，并且線路簡(jiǎn)單，可以直接讀出剩余電量，檢測(cè)方便。

3.2超級(jí)電容器的缺點(diǎn)

（1）能量密度低：相較于普通電池，超級(jí)電容器的能量密度遠(yuǎn)低于普通電池的能量密度。（2）耐壓較低：?jiǎn)误w電壓低，受制于超級(jí)電容器的電解溶液的分解電壓。（3）成本高，和鋁電解電容器相比，超級(jí)電容器的內(nèi)阻較大，不可以用于交流電路。

3.3超級(jí)電容器與其他儲(chǔ)能裝置的比較

4超級(jí)電容器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

4.1運(yùn)輸方面

超級(jí)電容器在運(yùn)輸方面主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)領(lǐng)域。電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)對(duì)動(dòng)力能源的要求較高，蓄電池受其自身的功率輸出、壽命、充放電效率等方面的限制，無(wú)法在最大程度上滿足機(jī)車(chē)的需求。而超級(jí)電容器-蓄電池組能夠提高機(jī)車(chē)的啟動(dòng)性，在一定程度上能很好地滿足機(jī)動(dòng)車(chē)在啟動(dòng)、加速、爬坡時(shí)對(duì)功率的要求，并且在溫度較低的條件下，能夠正常啟動(dòng)且一次性啟動(dòng)。為盡量減少大電流充放電對(duì)電池造成的負(fù)面影響，需要超級(jí)電容器與動(dòng)力電池的相互配合，從而延長(zhǎng)電池壽命。與此同時(shí)，超級(jí)電容器還能夠通過(guò)再生制動(dòng)系統(tǒng)將瞬間能量收回，提高能量利用率。[4]

4.2消費(fèi)電子方面

超級(jí)電容器具有在短時(shí)間內(nèi)能夠迅速完成充電、提供瞬時(shí)大電流的特點(diǎn)，可以在系統(tǒng)電壓突然降低的情況下，充當(dāng)后備電源的作用。例如主電源突然發(fā)生中斷、接觸不良或負(fù)載過(guò)大等，超級(jí)電容器可以避免由于突然斷電對(duì)用電器產(chǎn)生的不良影響。

4.3可再生能源發(fā)電分布式電力系統(tǒng)

超級(jí)電容具有高比功率、使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能效率高、無(wú)須維護(hù)等特點(diǎn)，在可再生能源發(fā)電或分布式電力系統(tǒng)領(lǐng)域中，可以彌補(bǔ)發(fā)電設(shè)備輸出功率的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測(cè)性的劣勢(shì)。在高壓開(kāi)關(guān)站及變電站硅整流分合閘裝置領(lǐng)域中，由于超級(jí)電容器能夠有效地解決傳統(tǒng)電解電容器儲(chǔ)能低及漏電流大造成的分合閘裝置可靠性差等問(wèn)題，傳統(tǒng)電解電容器逐漸被超級(jí)電容器替代。超級(jí)電容器也可應(yīng)用于分布式電網(wǎng)。分布式電網(wǎng)系統(tǒng)利用多組超級(jí)電容器將能量以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)能量出現(xiàn)緊缺時(shí)，通過(guò)控制單元再將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)，這能夠準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的能量，實(shí)現(xiàn)電能平衡機(jī)制的穩(wěn)定控制。[5]同時(shí)，超級(jí)電容器還可以改善電網(wǎng)質(zhì)量。

4.4變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量緩沖器

超級(jí)電容器和功率變換器構(gòu)成的能量緩沖器，可以應(yīng)用于電梯等變驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加速時(shí)，向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直流母線提供電流，從而提供電機(jī)所需的峰值功率;減速時(shí)，電機(jī)通過(guò)變頻器向直流母線進(jìn)行能量回收。在動(dòng)力UPS系統(tǒng)中，超級(jí)電容器可以作為能量直流儲(chǔ)能組件，其可以避免由多節(jié)蓄電池串聯(lián)所帶來(lái)的一系列的問(wèn)題，并且降低成本，便于維護(hù)，提高UPS設(shè)備的可靠性。[6]

4.5軍事裝備

軍事裝備要求儲(chǔ)能單元可靠、輕便并且隱蔽性要強(qiáng)，但很多的軍用裝備不能夠直接通過(guò)公共電網(wǎng)供電，而是需要配置發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能裝置?；旌闲统?jí)電容器在一定程度上能夠滿足軍事裝備的需求：能夠大幅度減輕背負(fù)設(shè)備的重量;解決常規(guī)潛艇中蓄電池壽命短暫的問(wèn)題;解決運(yùn)輸車(chē)等車(chē)輛的低溫啟動(dòng)性困難的問(wèn)題，另外還可以提高車(chē)輛的動(dòng)力性和隱蔽性。

5結(jié)語(yǔ)

超級(jí)電容器憑借自身具有高比功率、充放電效率高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)了普通電池與普通電容器之間的空白，并且逐漸應(yīng)用于生活、軍事、工業(yè)等方方面面。但同時(shí)由于鋰電池的快速發(fā)展，使得超級(jí)電容器的發(fā)展空間受到一定的限制。雖然超級(jí)電容器存在一定程度的不足之處，但是其未來(lái)的發(fā)展空間是值得我們每一個(gè)人期待的。

參考文獻(xiàn)：

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[3]豐駿，朱云松，丁曉峰.淺析超級(jí)電容器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（24）：176.

[4]趙騰，秦剛，陳中孝，張振宇.分布式電源的微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（08）：1-4+10.

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