超级电容器的工作原理与应用

究竟什么是超级电容器?它与电容器有何不同?简单来说，电容器的功能是存储电荷并快速传输，而电池的功能是存储电荷并在较长时间内传输。换句话说，当你驾驶全新的电动汽车加速时，你需要一个电容器，而当你在高速公路上巡航时，你需要一个电池。从历史上看，电容电池之前，与第一电容器-或冷凝器-出现在德国中期的18个世纪，“莱顿瓶”。串联起来，冷凝器形成了一个“电池”。超级电容器并不仅仅凭空出现来解决我们的电池需求：它们已经研究、开发和使用了30多年。

超级电容器又名电化学电容器(ElectrochemicalCapacitors)，双电层电容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。传统电容器由两个导电电极组成，由电介质(如塑料、纸、玻璃或陶瓷)隔开。它们以静电方式储存能量。超级电容器(也称为超级电容器)出现在1970年代后期，顾名思义，在实现相同目标的同时更有效。他们要么在电极和电解质之间的界面上使用电荷分离(所谓的双电层电容器)，要么使用氧化还原反应、嵌入和电吸附(所谓的赝电容器)。非对称或混合电容器在非对称电极上结合了静电和电化学电容的原理。电化学超级电容器在技术上最接近可充电电池。那么今天小编为大家介绍一下超级电容器的工作原理与主要应用。

1.类型

超级电容器主要分为三类：

1.1双层电容器

双层电容器由两个电极、隔膜和电解质组成。电解质是溶解在水中的正离子和负离子的混合物。两个电极由隔板隔开。左侧电极面同样与左侧电解液接触;右侧电极表面与右侧液体电解质接触。液体电解质和电极表面相遇的点将形成液体电解质和不溶性固体电极表面的共同边界。

在电极表面和电解质溶液相遇的区域会产生两个相反的电荷。这些相反的电荷被表示为两个电荷层或双电荷层。超级电容器的每个电极产生两个电荷层。在具有一种极性(正或负)的电极表面上形成一个电荷层，而在电极表面附近的电解质溶液中形成另一个具有相反极性(负或正)的电荷层。这两个电荷层被溶剂或水分子的单层(一个分子厚的层)隔开。

溶剂分子紧密附着在电极表面，将带相反电荷的离子隔开。分离相反电荷的溶剂分子充当电介质(介电分子)。溶剂分子不允许电荷通过它们。因此，在电极和电解质之间没有电荷流动。

当电压以这样的方式施加到电容器上时，电池的正极连接到左侧电极，电池的负极连接到右侧电极，双电层电容器开始充电。由于该电源电压，左侧电极表面上会产生大量正电荷，而右侧电极表面上会产生大量负电荷。这些电荷充当第一层电荷。电解质中的负离子受到来自带正电的电极的强大吸引力。结果，负离子向带正电的电极移动。以类似的方式，电解质中的正离子受到来自带负电的电极的强大吸引力。结果，正离子向带负电的电极移动。

当这些负离子或正离子靠近电极时，它们会受到溶剂分子的强烈反对。因此，没有电荷从电解质转移到电极或电极到电解质。然而，这些相反的电荷会相互施加静电力。因此，在电极和电解质的共同边界处会产生大量电荷。 双层电容器或超级电容器最常用的电极材料是活性炭、碳气凝胶、碳纤维布和碳纳米管。

1.2伪电容器

伪电容器通过电极和电解质之间的电子电荷转移(电子从电解质到阴极或从阴极到电解质)存储电能。这可以通过氧化还原(还原氧化反应)来完成。

还原：当原子获得一个电子并变得更负时会发生还原。

氧化：当原子失去电子并变得更正时会发生氧化。

还原氧化：当一个原子获得(或失去)一个电子而另一个原子失去(或获得)一个电子时，就会发生还原氧化。在赝电容器中，氧化还原反应发生在电极和电解质溶液之间。

在赝电容器中，电荷存储(电容)来自电解质和电极之间的电荷转移。当向伪电容器施加电压时，电解质中带电的原子或离子向带相反电荷的电极移动。在电极表面与相邻电解质之间形成两个电层或双电层。这两个电层被电解质分子隔开。双电层内电解质中的带电原子充当电子供体并将电子转移到电极原子。结果，电极中的原子带电。因此，电荷存储在双电层。伪电容器使用导电聚合物或金属氧化物作为电极。存储在伪电容器中的电荷量与施加的电压成正比。伪电容以法拉为单位测量。

1.3混合电容器

混合电容器是利用双层电容器和伪电容器的技术开发的。在混合电容器中，实现了双层电容和伪电容。

2.优势

与普通电容器相比，它提供高能量密度和高功率密度。

它提供高电容(从1mF到>10,000F)。

它提供快速充电能力。

它提供卓越的低温性能(从-40oC到70oC)。

它提供更长的服务和更长的使用寿命(大约10至15年，而锂离子电池为5-10年)。它提供几乎无限的循环寿命，可以循环数百万次。

它提供了更高的性能可靠性。

它减少了电池的尺寸、重量和连续成本。

超级电容器符合环保标准。因此它们是环保的。

与传统电容器(高电容)相比，可存储大量电荷。

即使过度充电，超级电容器也不会像电池一样爆炸。

3.工作原理

超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。

原理示意图

当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下)，如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。

由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

4.主要应用

4.1一般应用

消费电子产品：在负载波动的应用中，例如膝上型计算机、PDA、GPS、便携式媒体播放器、手持设备、和光伏系统，超级电容器可以稳定电源。超级电容器用于输送功率照相闪光灯在数码相机和用于LED手电筒，可以在时间短得多段充电。

工具：带有用于储能的超级电容器的无绳电动螺丝刀的运行时间约为同类电池型号的一半，但可以在90秒内充满电。闲置三个月后，它还可以保留85%的电量。

电网电源缓冲器：许多非线性负载，例如EV充电器、HEV、空调系统和高级电源转换系统，都会导致电流波动和谐波。这些电流差异会造成不必要的电压波动，从而导致电网上的功率振荡。功率振荡不仅会降低电网的效率，还会导致公共耦合总线中的电压下降，以及整个系统的相当大的频率波动。为了克服这个问题，超级电容器可以作为负载和电网之间的接口来实现，以充当电网和从充电站汲取的高脉冲功率之间的缓冲器。

低功耗设备电源缓冲器：超级电容器为RAM、SRAM、微控制器和PC卡等低功耗设备提供备用或紧急关闭电源。它们是低能耗应用的唯一电源，例如自动抄表(AMR)设备或工业电子设备中的事件通知。超级电容器缓冲往返可充电电池的电源，减轻短时间断电和高电流峰值的影响。电池仅在长时间中断期间启动，例如，如果主电源或燃料电池出现故障，这会延长电池寿命。不间断电源(UPS)可以由超级电容器供电，它可以取代更大的电解电容器组。这种组合降低了每个周期的成本，节省了更换和维护成本，使电池能够缩小尺寸并延长电池寿命。

稳压器：超级电容器可以通过充当阻尼器来稳定电力线的电压波动。风力和光伏系统表现出由超级电容器可以在几毫秒内缓冲的阵风或云引起的波动供应。

微电网：超级电容器可用于微电网存储，以在需求高且产量暂时下降时瞬间注入电力，并在反向条件下存储能量。它们在这种情况下很有用，因为微电网越来越多地产生直流电，并且电容器可用于直流和交流应用。超级电容器与化学电池配合使用效果最佳。

能量收集：超级电容器是适用于能量收集系统的临时储能装置。在能量收集系统中，能量从环境或可再生能源(例如机械运动、光或电磁场)收集，并在能量存储设备中转换为电能。例如，已经证明从RF(射频)场(使用RF天线作为适当的整流器电路)收集的能量可以存储到印刷超级电容器中。然后使用收集到的能量为专用集成电路(ASIC)电路供电10多个小时。

医疗：超级电容器用于除颤器中，它们可以提供500焦耳的能量将心脏电击回窦性心律。

4.2运输

航空：2005年，航空航天系统和控制公司迪尔LuftfahrtElektronik公司有限公司选择了超级电容器电源应急驱动器的门和逃生滑梯中使用飞机，包括空客380。

军事：超级电容器的低内阻支持需要短期高电流的应用。最早的用途是用于坦克和潜艇中的大型发动机的发动机启动(冷发动机启动，尤其是柴油机)。超级电容器缓冲电池，处理短电流峰值，减少循环并延长电池寿命。需要高比功率的其他军事应用包括相控阵雷达天线、激光电源、军用无线电通信、航空电子显示器和仪器、安全气囊部署的备用电源以及GPS制导导弹和射弹。

汽车：丰田的YarisHybrid-R概念车使用超级电容器提供爆发式动力。PSAPeugeotCitroën已开始使用超级电容器作为其启停节油系统的一部分，该系统可实现更快的初始加速。马自达的i-ELOOP系统在减速期间将能量存储在超级电容器中，并在发动机被停止启动系统停止时使用它为车载电气系统供电。

巴士/电车：美国超级电容器制造商MaxwellTechnologies声称，超过20,000辆混合动力公交车使用这些设备来提高加速度，尤其是在中国。广州，2014年，中国开始使用由超级电容器供电的有轨电车，通过位于轨道之间的设备在30秒内充电，储存电力以运行电车长达4公里——足以到达下一站，在那里自行车可以被重复。CAF还在其Urbos3有轨电车上以ACR系统的形式提供超级电容器。

铁路：超级电容器可用于补充配备柴电传动的柴油铁路机车的启动系统中的电池。电容器捕获完全停止的制动能量，并提供用于启动柴油机和列车加速的峰值电流，并确保线电压的稳定。根据驾驶模式的不同，通过回收制动能量可以节省高达30%的能源。低维护和环保材料鼓励选择超级电容器。

轻轨和有轨电车：超级电容器不仅可以减少能源，还可以取代历史城区的架空线路，从而保护城市的建筑遗产。这种方法可能允许许多新的轻轨城市线路取代成本太高而无法完全布线的架空线。

4.3其它应用

手电筒应用

太阳能应用

超级电容器用于笔记本电脑、便携式媒体播放器、手持设备和光伏系统等电子设备中以稳定电源

超级电容器用作能量收集系统的临时储能装置

超级电容器用于除颤器(一种通过向胸壁提供电流来控制不规则心跳的仪器)

超级电容器

5.关于超级电容器的常见问题

5.1超级电容器能代替电池吗?

超级电容器因其储存和释放能量的能力而优于传统电容器;然而，它们还无法取代传统锂离子电池的功能。

5.2超级电容器的生命周期有多久?

典型的电池有500-1000次充放电循环，而超级电容器可以达到一百万次循环。在车辆服务中，电池的预期寿命为5至10年，而超级电容器的使用寿命为10至15年。

5.3超级电容器比电池更安全吗?

超级电容器比电池更安全。然而，使用高于其额定值的电压为超级电容器充电可能对超级电容器有害。但是，当为多个电容器充电时，它会变成一项复杂的工作。

5.4超级电容器是由什么构成的?

超级电容器由两个金属箔(集电器)构成，每个金属箔都涂有电极材料，例如活性炭，用作电极材料和电容器外部端子之间的电源连接。具体到电极材料是一个非常大的表面积。

5.5给超级电容器充电的最快方法是什么?

一种自动托盘穿梭是使用超级电容器作为其主要的电功率源的理想应用。超级电容器在转运车上时可在几秒钟内快速充电。

结语

以上就是超级电容器工作原理与应用的介绍了。截至2013年，市售的锂离子超级电容器提供了迄今为止最高的重量比能量，达到15Wh/kg(54kJ/kg)。研究重点是提高比能、降低内阻、扩大温度范围、增加寿命和降低成本。项目包括定制孔径电极、赝电容涂层或掺杂材料和改进的电解质。

5.关于超级电容器的常见问题

5.1超级电容器能代替电池吗?

超级电容器因其储存和释放能量的能力而优于传统电容器;然而，它们还无法取代传统锂离子电池的功能。

5.2超级电容器的生命周期有多久?

典型的电池有500-1000次充放电循环，而超级电容器可以达到一百万次循环。在车辆服务中，电池的预期寿命为5至10年，而超级电容器的使用寿命为10至15年。

5.3超级电容器比电池更安全吗?

超级电容器比电池更安全。然而，使用高于其额定值的电压为超级电容器充电可能对超级电容器有害。但是，当为多个电容器充电时，它会变成一项复杂的工作。

5.4超级电容器是由什么构成的?

超级电容器由两个金属箔(集电器)构成，每个金属箔都涂有电极材料，例如活性炭，用作电极材料和电容器外部端子之间的电源连接。具体到电极材料是一个非常大的表面积。

5.5给超级电容器充电的最快方法是什么?

一种自动托盘穿梭是使用超级电容器作为其主要的电功率源的理想应用。超级电容器在转运车上时可在几秒钟内快速充电。

结语

以上就是超级电容器工作原理与应用的介绍了。截至2013年，市售的锂离子超级电容器提供了迄今为止最高的重量比能量，达到15Wh/kg(54kJ/kg)。研究重点是提高比能、降低内阻、扩大温度范围、增加寿命和降低成本。项目包括定制孔径电极、赝电容涂层或掺杂材料和改进的电解质。

5.关于超级电容器的常见问题

5.1超级电容器能代替电池吗?

超级电容器因其储存和释放能量的能力而优于传统电容器;然而，它们还无法取代传统锂离子电池的功能。

5.2超级电容器的生命周期有多久?

典型的电池有500-1000次充放电循环，而超级电容器可以达到一百万次循环。在车辆服务中，电池的预期寿命为5至10年，而超级电容器的使用寿命为10至15年。

5.3超级电容器比电池更安全吗?

超级电容器比电池更安全。然而，使用高于其额定值的电压为超级电容器充电可能对超级电容器有害。但是，当为多个电容器充电时，它会变成一项复杂的工作。

5.4超级电容器是由什么构成的?

超级电容器由两个金属箔(集电器)构成，每个金属箔都涂有电极材料，例如活性炭，用作电极材料和电容器外部端子之间的电源连接。具体到电极材料是一个非常大的表面积。

5.5给超级电容器充电的最快方法是什么?

一种自动托盘穿梭是使用超级电容器作为其主要的电功率源的理想应用。超级电容器在转运车上时可在几秒钟内快速充电。

结语

以上就是超级电容器工作原理与应用的介绍了。截至2013年，市售的锂离子超级电容器提供了迄今为止最高的重量比能量，达到15Wh/kg(54kJ/kg)。研究重点是提高比能、降低内阻、扩大温度范围、增加寿命和降低成本。项目包括定制孔径电极、赝电容涂层或掺杂材料和改进的电解质。

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审核编辑：汤梓红