有容乃大的超级电容?

有容乃大的超级电容?

什么是超级电容器

超级电容器（supercapacitor）是指相对传统电容器而言具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来储存能量。是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。

超级电容器，又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容。它与普通电容的区别是它是一种电化学的物理部件，但本身并不进行化学反应，超级电容的储电量特别大，达到法拉级的电容量。（还有一大类是法拉第准电容，但是化学储能，所以储能可以深入到电极内部，而且高度可逆，储能比双层电容器高，但是功率密度低。）

普通电容器：

两个绝缘并且靠近的导体——极板，中间夹一个绝缘物质——电介质，两条引线。

冲电时不显示级性（无正负级），电容器的2个极板与电源相连时，电路中有电流通过，使电容器的2个极板分别带上等量异种电荷。

超级电容器工作原理：

当外界电压加到超级电容器的两个极板上时，和普通电容器一样，极板的正电极储存正电荷，负极板储存负电荷。在超级电容器的2个极板的上电荷电场的作用下，在电解液与电极之间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场。

正电荷和负电荷以极端的间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫双电层。超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料，这种材料的多孔结构，允许其面积接近2000平方米每克。

电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm，因此电容量大。大多数超级电容器可以做到法拉级别，一般电容的值为1F-5000F。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相应减少。由此可以看出，超级点容器的冲放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此充放电寿命很长，可以达到50w次以上。

优点：

1，电容量大。电极接触面积大。容量很容易超过1F。比普通电容器提升了3-4个数量级。目前单体超级电容器可以达到5000F。

2，超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。

3，功率密度大。可以瞬间提供高电流。超低串联等效电阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上，2700F的超级电容器放电流不低于950A，可以到达1680A）。

4，可以在数10秒到数分钟内快速充电。

5，可以在很宽的温度下工作（-40摄氏度-+70摄氏度）低温性能优越。超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小。电池在低温下容量衰减幅度却可高达70%。

6，产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。

7，超级电容可以串并联组成成超级电容模组，可耐压储存更高容量。

缺点：

1，能量密度通常还是要低于化学电池。虽然2010年实验室中已经可以达到85W.h/kg，而锂电池可以达到100-250W.h/kg。

2，自放电率比其他的电化学电池高。

3，电压会随着放电下降，造成能量损失。超级电容器2端通常需要与一个DC/DC变换器相连，以保证输出电压的稳定。

4，大电压比较低：

超级电容器的储能为：Q=0.5*C*U^2（单位：焦耳），因为现在超级电容器的耐压值都偏小，所以能量密度太低，一般还是和蓄电池混合使用。

石墨烯超级电容器

石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大比表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比，在能量储存和释放的过程中，显示了一些新颖的特征和机制。

层层堆叠阻碍石墨烯，片层的双电层作用的发挥

石墨烯是一种二维的碳材料，将有序排列的、蜂窝状、层层堆叠形成的石墨，剥离成单层的薄片时，这种只有一个碳原子厚度的单层石墨就被称为石墨烯。

这种单原子厚度的石墨烯不仅具有超高比的表面积，同时，石墨本身良好的平面六边形点阵有利于电子的自由移动，从而使其具有超高的导电性，因此被广泛地应用于电极材料的研究中。

尤其是对于平面化微型超级电容器来说，利用石墨烯作为电极材料能够充分利用石墨烯的优势,不仅能够进一步降低整个器件薄度、减小体积，同时实现了电解液离子的快速迁移，从而实现电荷的高能量存储。

研究发现，石墨烯的掺杂可以在其表面诱导形成高的局域电荷，从而提高其化学活性。但是在掺杂的过程中，以石墨烯为前躯体，制备出厚度均一、大面积杂原子掺杂的石墨烯薄膜仍面临巨大的挑战。

光还原石墨烯微型超级电容器

超级电容器的应用

超级电容具有高功率密度和能量密度、使用寿命很长、尺寸紧凑等特性，当它与其它新兴的电池技术结合使用时，可满足高性能电源应用的需求。

快速充电的产品

有一些应用适合采用超级电容系统。这些应用实例包括汽车应用(如混合动力汽车)和消费电子(如数码相机)，在数码相机里，超级电容一起使用。

备份能源

在所有备份燃料电池应用中，当主电源断掉后，备份电源需要立刻提供电源。因为燃料电池从启动到满功率运行一般需要10秒到60秒的启动时间，所以它需要一个能量缓冲器。 越来越多的燃料电池公司在考虑将超级电容作为整个备份电源封包的一个组成部分。

电动汽车

传统的蓄电池（如铅酸电池）由于功率密度偏低。在正常行驶时，电动汽车从蓄电池中吸取的平均功率相当低，而加速和爬坡时的峰值功率又相当高，一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达到16：1。事实上，电动汽车行驶中用于加速和爬坡时所消耗的能量占到总能耗的2／3。

蓄电池与超级电容器混合动力车的出现很好地解决了电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾。其中由蓄电池提供的续驶里程，而由超级电容在加速和爬坡需要大功率时提供短时的辅助动力。超级电容的能量可以直接取自蓄电池，也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再生的动能。

加装超级电容还解决了低温启动困难的问题，铅酸蓄电池的低温性能也较差，在—40℃时它的电流输出能力约是常温时的1/10左右。所以造成了机动车的低温启动困难。而超级电容的正常工作温度在-40℃至+70℃之间。机动车在-15℃时启动已经困难，而用超级电容器即使是在-30℃时，仍能顺利启动。

在风力发电中的应用

目前主要的储能系统有蓄电池和超级电容器两种方案。 蓄电池的充放电特性不好，充电时间长，充电、放电电流不能太大；蓄电池需要维护；蓄电池的低温特性不好，在寒冷季节容量会衰减；蓄电池的循环寿命短，可靠性不强。

超级电容器的特点突出：高效率、大电流放电、宽电压范围、宽温度范围、状态易监控、长循环寿命、长工作寿命、免维护、环保。而且风力发电的电流波动范围比较大，超级电容器又没有严格的充电电流限制。因此它极为适合在风力发电机组这样的工况环境中工作。

在飞机上的应用

超级电容器在以内燃机为动力的直流电源车上的采用,可解决电源车启动飞机发动机瞬间功率不足的技术难题。同时,在启动瞬间超级电容器对直流电源车发电系统尤其是内燃机具有很大的保护作用。对于逆变电源,同样也可以和超级电容器结合组成大功率特种冲击电源设备,可提供数千安培的冲击电流,供启动飞机发动机之用。

在数字电器控制器中的应用

电器的制造厂家都会为电器的控制器添加后备电源，超级电容的出现给他们带来了解决这一问题的新的方法，超级电容因具有容量大、充放电快、还有超长的工作寿命循环充放电可以达到10万次以上、安全可靠无污染以及其外型和纽扣电池相似使用很方便等特性成为控制器后备电源的选择。

在军事上的应用

可以用于高能脉冲设备或者高能脉冲武器。比如激光武器的充能需要瞬间高能供应。超级电容器的瞬间大电流放电正好符合要求。

近年来，随着现代科学技术的发展，越来越多的可穿戴、便携式电子产品出现在人们的生活中，电子产品逐渐向小巧、可穿戴、可折叠和柔性方向发展，这就要求为电子产品提供能量的储存器件具有轻、薄、柔等特点。在众多储能器件中，超级电容器，尤其是柔性全固态超级电容器由于具有可快速充放电、高的功率密度、超长的循环寿命、安全环保和优良的力学性能（可在任意变形时仍保持良好的电化学性能）以及宽的使用温度范围等优点而获得人们的青睐。