超級電容器 又名：雙層電容器

　　概述：

    超級電容器（supercapacitor,ultracapacitor），原理[1]

　　又叫雙電層電容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、電化學電容器(ElectrochemcialCapacitor,EC),黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

　　超級電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。

　　雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大，因此，可在無負載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過電壓充電的情況，雙電層電容器將會開路而不致?lián)p壞器件，這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時，雙電層電容器與可充電電池相比，可進行不限流充電，且充電次數(shù)可達10^6次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。
　　

        工作原理

　　超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應減少。由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學反應的蓄電池是不同的。

　　應用領(lǐng)域車用超級電容器

　　1、稅控機、稅控加油機、真空開關(guān)、智能表、遠程抄表系統(tǒng)、儀器儀表、數(shù)碼相機、掌上電腦、電子門鎖、程控交換機、無繩電話等的時鐘芯片、靜態(tài)隨機存貯器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等微小電流供電的后備電源。

　　2、智能表（智能電表、智能水表、智能煤氣表、智能熱量表）作電磁閥的啟動電源

　　3、太陽能警示燈，航標燈等太陽能產(chǎn)品中代替充電電池。

　　4、手搖發(fā)電手電筒等小型充電產(chǎn)品中代替充電電池。

　　5、電動玩具電動機、語音IC、LED發(fā)光器等小功率電器的驅(qū)動電源。

　　6.電動汽車快速啟動

　　7.電力系統(tǒng)電網(wǎng)改造戶外開關(guān)

　　8.風力發(fā)電海上風機

　　特性超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。

　　傳統(tǒng)電容器的面積是導體的平板面積，為了獲得較大的容量，導體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。

　　超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達到2000m2/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10&Aring;）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。

　　技術(shù)特性超級電容器的技術(shù)特性1.充電速度快，充電10秒~10分鐘可達到其額定容量的95%以上；

　　超級電容器的技術(shù)特性2.循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達1~50萬次；

　　超級電容器的技術(shù)特性3.能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%；

　　超級電容器的技術(shù)特性4.功率密度高，可達300W/KG~5000W/KG，相當于電池的5~10倍；

　　超級電容器的技術(shù)特性5.產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；超級電容器的技術(shù)特性6.安全系數(shù)高，長期使用免維護；

　　超級電容器的技術(shù)特性7.超低溫特性好，可工作于攝氏零下30℃的環(huán)境中；

　　超級電容器的技術(shù)特性8.檢測方便，剩余電量可直接讀出。[3]

　　分類按原理

　　超級電容器的類型比較多，按不同方式可以分為多種產(chǎn)品，以下作簡單介紹。

　　按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器：

　　雙電層型超級電容器

　　分類多樣

　　1.活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過成型制備電極。

　　2.碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經(jīng)過增強，噴涂或熔融金屬增強其導電性制備電極。

　　3.碳氣凝膠電極材料，采用前驅(qū)材料制備凝膠，經(jīng)過炭化活化得到電極材料。

　　4.碳納米管電極材料，碳納米管具有極好的中孔性能和導電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優(yōu)良的超級電容器電極。

　　以上電極材料可以制成：

　　1.平板型超級電容器，在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級電容器，可以達到300V以上的工作電壓。

　　2.繞卷型溶劑電容器，采用電極材料涂覆在集流體上，經(jīng)過繞制得到，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。

　　贗電容型超級電容器

　　包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負極材料制備的超級電容器，導電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極，以此制備超級電容器。這一類型超級電容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它類型多處于研究階段，還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

　　按電解質(zhì)類型

　　可以分為水性電解質(zhì)和有機電解質(zhì)類型：

　　水性電解質(zhì)

　　1.酸性電解質(zhì)，多采用36%的H2SO4水溶液作為電解質(zhì)。

　　2.堿性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑。

　　3.中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。

　　有機電解質(zhì)

　　通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì)，有機溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑，電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度。

　　其他

　　1.液體電解質(zhì)超級電容器，多數(shù)超級電容器電解質(zhì)均為液態(tài)。

　　2.固體電解質(zhì)超級電容器，隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的發(fā)展，應用于超級電容器的電解質(zhì)也對凝膠電解質(zhì)和PEO等固體電解質(zhì)進行研究。

　　充放電時間超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實際上決定于電容器單體大小，對于匹配負載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導致斷路。

　　超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數(shù)τ在1-2s，完全給阻-容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要5-10s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實際上得花上數(shù)個小時才能將殘留的電荷完全釋放）

　　優(yōu)缺點

        優(yōu)點

　　在很小的體積下達到法拉級的電容量；無須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負面影響；從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題；

　　缺點

　　如果使用不當會造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路；

　　與電池的比較超級電容器不同于電池，在某些應用領(lǐng)域，它可能優(yōu)于電池。有時將兩者結(jié)合起來，將電容器的功率特性和電池的高能量存儲結(jié)合起來，不失為一種更好的途徑。

　　超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學反應限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。

　　超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復雜的換算。

　　超級電容器與其體積相當?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰?。在一些功率決定能量存儲器件尺寸的應用中，超級電容器是一種更好的途徑。

　　超級電容器可以反復傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。

　　超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。

　　超級電容器可以反復循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾百個循環(huán)。

　　工藝流程不同種類

　　超級電容器的工藝流程為：配料→混漿→制電極→裁片→組裝→注液→活化→檢測→包裝。

　　超級電容器在結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似，它們的主要區(qū)別在于電極材料。早期的超級電容器的電極采用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級電容器的容值可以非常大，大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級，一般情況下容值范圍可達1-5000F。

　　超級電容器通常包含雙電極、電解質(zhì)、集流體、隔離物四個部件。超級電容器是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的電容量的。在超級電容器中，采用活性炭材料制作成多孔電極，同時在相對的兩個多孔炭電極之間充填電解質(zhì)溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而電解質(zhì)溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成雙集電層。

　　如何選擇超級電容器的兩個主要應用：高功率脈沖應用和瞬時功率保持。高功率脈沖應用的特征：瞬時流向負載大電流；瞬時功率保持應用的特征：要求持續(xù)向負載提供功率，持續(xù)時間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時功率保持的一個典型應用：斷電時磁盤驅(qū)動頭的復位。不同的應用對超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應用是利用超電容較小的內(nèi)阻(R)，而瞬時功率保持是利用超電容大的靜電容量(C)。

　　超級電容器應用廣泛

　　下面提供了兩種計算公式和應用實例：

　　C(F)：超電容的標稱容量；

　　R(Ω)：超電容的標稱內(nèi)阻；

　　ESR(Ω)：1KZ下等效串聯(lián)電阻；

　　Uwork(V)：在電路中的正常工作電壓

　　Umin(V)：要求器件工作的最小電壓；

　　t(s)：在電路中要求的保持時間或脈沖應用中的脈沖持續(xù)時間；

　　Udrop(V)：在放電或大電流脈沖結(jié)束時，總的電壓降；

　　I(A)：負載電流；

　　瞬時功率保持應用

　　超電容容量的近似計算公式，該公式根據(jù)，保持所需能量=超電容減少能量。

　　保持期間所需能量=1/2I(Uwork+Umin)t；

　　超電容減少能量=1/2C(Uwork2-Umin2)，

　　因而，可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=I(Uwork+Umin)t/(Uwork2-Umin2)

　　實例：

　　假設(shè)磁帶驅(qū)動的工作電壓5V，安全工作電壓3V。如果直流馬達要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么,根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5F。

　　因為5V的電壓超過了單體電容器的標稱工作電壓。因而，可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話，那每只的電壓即是其標稱電壓2.5V。

　　如果我們選擇標稱容量是1F的電容器，兩串為0.5F?？紤]到電容器－20%的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量。可以選擇標稱容量是1.5F的電容器，能提供1.5F/2=0.75F?？紤]－20%的容量偏差，最小值1.2F/2=0.6F。這種超級電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后，磁帶驅(qū)動轉(zhuǎn)入小電流工作模式，用超電容剩余的能量。

　　在該實例中，均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。

　　脈沖功率應用

　　脈沖功率應用的特征：和瞬時大電流相對的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應用的持續(xù)時間從1ms到幾秒。

　　設(shè)計分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實例中總的壓降由兩部分組成：由電容器內(nèi)阻引起的瞬時電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時壓降。關(guān)系如下：

　　Udrop=I(R+t/C)

　　電容板

　　上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。

　　對于多數(shù)脈沖功率應用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻R可以用直流ESR估計，標稱是0.075Ω(DCESR=ACESR*1.5=0.060Ω*1.5=0.090Ω)。額定容量是1.5F。對于一個0.001s的脈沖，t/C小于0.001Ω。即便是0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ω，顯然R（0.090Ω）決定了上式的Udrop輸出。

　　實例：

　　GSM/GPRS無線調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達2A的電流，該電流持續(xù)0.6ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器（PA）要求3.0V的最小電壓。對于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下（最小3.0V），允許的壓降是0.6V。

　　選擇超級電容器（C：0.15F,ACESR：0.200Ω,DCESR：0.250Ω）。對于2A脈沖，電池提供大約1A，超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式，由內(nèi)阻引起的壓降：1A×0.25Ω=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。

　　結(jié)論

　　不管是功率保持還是功率脈沖應用都可以用上公式計算．當電路的工作電壓超過超電容的工作電壓時，可以用相同的電容器串聯(lián)．一般地，串聯(lián)應該保持平衡以確保電壓平均分配．在脈沖功率應用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。

　　使用注意事項1、超級電容器具有固定的極性。在使用前，應確認極性。

　　2、超級電容器應在標稱電壓下使用：

　　當電容器電壓超過標稱電壓時，將會導致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導致電容器性能崩潰。

　　3、超級電容器不可應用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導致電容器性能崩潰。

　　4、超級電容器的壽命：

　　外界環(huán)境溫度對于超級電容器的壽命有著重要的影響。電容器應盡量遠離熱源。

　　5、當超級電容器被用做后備電源時的電壓降：

　　由于超級電容器具有內(nèi)阻較大的特點，在放電的瞬間存在電壓降，ΔV=IR。

　　不同領(lǐng)域的運用

　　6、使用中環(huán)境氣體：

　　超級電容器不可處于相對濕度大于85%或含有有毒氣體的場所，這些環(huán)境下會導致引線及電容器殼體腐蝕，導致斷路。

　　7、超級電容器的存放：

　　超級電容器不能置于高溫、高濕的環(huán)境中，應在溫度-30+50℃、相對濕度小于60%的環(huán)境下儲存，避免溫度驟升驟降，因為這樣會導致產(chǎn)品損壞。

　　8、超級電容器在雙面線路板上的使用：

　　當超級電容器用于雙面電路板上，需要注意連接處不可經(jīng)過電容器可觸及的地方，由于超級電容器的安裝方式，會導致短路現(xiàn)象。

　　9、當把電容器焊接在線路板上時，不可將電容器殼體接觸到線路板上，不然焊接物會滲入至電容器穿線孔內(nèi)，對電容器性能產(chǎn)生影響。

　　10、安裝超級電容器后，不可強行傾斜或扭動電容器，這樣會導致電容器引線松動，導致性能劣化。

　　11、在焊接過程中避免使電容器過熱：

　　若在焊接中使電容器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，會降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板，焊接過程應為260℃，時間不超過5s。

　　12、焊接后的清洗：

　　在電容器經(jīng)過焊接后，線路板及電容器需要經(jīng)過清洗，因為某些雜質(zhì)可能會導致電容器短路。

　　13、將電容器串聯(lián)使用時：

　　當超級電容器進行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯(lián)會導致某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進行串聯(lián)使用時，需得到廠家的技術(shù)支持。

　　14、其他：

　　在使用超級電容器的過程中出現(xiàn)的其他應用上的問題，請向生產(chǎn)廠家咨詢或參照超級電容器使用說明的相關(guān)技術(shù)資料執(zhí)行。

　　前景分析從結(jié)構(gòu)上看，超級電容器主要由電極、電解質(zhì)、隔膜、端板、引線和封裝材料組成，其中電極、電解質(zhì)和隔膜的組成和質(zhì)量對超級電容器的性能起著決定性的影響，采用何種電極板和電解質(zhì)材料將基本決定最終產(chǎn)品的類型與特性。

　　2007年1月16日，美國得克薩斯州一家研制電動汽車儲能裝置，名為EEStor的公司打破沉默，對外宣告了他們“里程碑”式的成果：他們的自動生產(chǎn)線已經(jīng)由獨立的第三方分析驗收，其產(chǎn)品的關(guān)鍵物質(zhì)鋇鈦酸鹽粉末已經(jīng)完成了最初的純化，純度達到了99.9994%。

　　這一技術(shù)一旦進入成熟的工業(yè)生產(chǎn)，他們所研制的新型超級電容器動力系統(tǒng)將替代包括從電動汽車到筆記本電腦的一切電化學電池。按照2006年4月發(fā)表的專利，EEStor這種能量存儲裝置是用陶瓷粉末涂在鋁氧化物和玻璃的表面。從技術(shù)上說，它并不是電池，而是一種超級電容器，它在5分鐘內(nèi)充的電能可以讓一個超級電容器

　　電動車走500英里，電費只有9美元。而燒汽油的內(nèi)燃機車走相同里程則要花費60美元。

　　與傳統(tǒng)的電化學電池相比，超級電容器有很多好處。它可以無限制地接受無數(shù)次放電和充電，，超級電容器沒有“記憶”。但是，一般的超級電容器也有其弱點，就是能量存儲率有限，市場上的高端超級電容器每0.4536千克的存儲能量只有鋰電池的1/25。

　　而EEStor開發(fā)的超級電容器，由于鋇鈦酸鹽有足夠的純度，存儲能量的能力大大提高。EEStor公司負責人聲稱，該超級電容器每公斤所存儲的能量可達0.28千瓦時，相比之下，每公斤鋰電池是0.12千瓦時，鉛酸電池只有0.032千瓦時，這就讓超級電容器有了可用在從電動車、起搏器到現(xiàn)代化武器等多種領(lǐng)域的可能。好的鉛酸電池能充電500～700次，而根據(jù)EEStor的聲明，新的超級電容器可反復充電100萬次以上，也不會出現(xiàn)材料降解問題。而且，由于它不是化學電池，而是一種固體狀態(tài)的能量儲存系統(tǒng)，不會出現(xiàn)鋰電池那種過熱甚至爆炸的危險，沒有安全隱患。

　　這一發(fā)明的意義相當重大，該突破不僅從根本上改變了電動車在交通運輸中的位置，也將改進諸如風能、太陽能等間歇性能源的利用性能，增進了電網(wǎng)的效率和穩(wěn)定性，滿足人們能源安全的需求，減少對石油的依賴。顯然，該突破也對下一代鋰電池的研制者造成威脅。EEStor公司負責人暗示，他們的技術(shù)不僅適用于小型旅客電動車，還可能取代220500瓦的大型汽車。