超級(jí)電容器的原理及應(yīng)用

張勁松

隨著全球能源價(jià)格的不斷攀升和環(huán)境的日益惡化，探索利用環(huán)保能源成為各國(guó)科技人員努力的重點(diǎn)。超級(jí)電容器是近年發(fā)展起來(lái)的新型電力儲(chǔ)能器件，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、環(huán)境友好、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，在新型電力儲(chǔ)能技術(shù)方面具有廣闊發(fā)展前景。

一、超級(jí)電容器簡(jiǎn)介

超級(jí)電容器，又叫雙電層電容器、電化學(xué)電容器、黃金電容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，在儲(chǔ)能的過(guò)程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，因此超級(jí)電容器可以反復(fù)充放電十萬(wàn)次。超級(jí)電容器可視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)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(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。

超級(jí)電容器是建立在德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的全新電容器。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(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過(guò)剩電荷，從而使電極間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極，并施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng)，并分別在兩電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，產(chǎn)生電容效應(yīng)，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小得多，因此電容量非常大。當(dāng)兩極板間的電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，界面上的電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)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(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。

二、超級(jí)電容器的主要特點(diǎn)

1、功率密度高

可達(dá)103～104W／kg，遠(yuǎn)高于目前蓄電池的功率密度水平。

2、循環(huán)壽命長(zhǎng)

深度充放電循環(huán)可達(dá)50萬(wàn)次～100萬(wàn)次以上。

3、工作溫度范圍寬

目前超級(jí)電容器工作溫度范圍可達(dá)－40℃～+80℃，今后有望更寬。

4、免維護(hù)

超級(jí)電容器充放電效率高，對(duì)過(guò)充電和過(guò)放電有一定的承受能力，可穩(wěn)定地反復(fù)充放電，理論上不需要進(jìn)行維護(hù)。

5、綠色環(huán)保

超級(jí)電容器在生產(chǎn)過(guò)程中不使用重金屬或其它有害的化學(xué)物質(zhì)，且壽命長(zhǎng)，是一種新型的綠色環(huán)保電源。

三、超級(jí)電容器的使用領(lǐng)域

1、后備電源

稅控機(jī)、稅控加油機(jī)、真空開(kāi)關(guān)、智能表、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、儀器儀表、數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦、電子門(mén)鎖、程控交換機(jī)、無(wú)繩電話時(shí)鐘芯片、靜態(tài)隨機(jī)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、啟動(dòng)電源

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(dòng)電源。

3、充電電池

在太陽(yáng)能警示燈、航標(biāo)燈等太陽(yáng)能產(chǎn)品中代替充電電池；也可在手搖發(fā)電手電筒等小型充電產(chǎn)品中代替充電電池。

4、驅(qū)動(dòng)電源

可用作電動(dòng)玩具電動(dòng)機(jī)、語(yǔ)音IC、LED發(fā)光器等小功率電器的驅(qū)動(dòng)電源。

5、與其他發(fā)電或蓄電系統(tǒng)組合

如風(fēng)能一太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力一柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等，在電力匯合或互補(bǔ)時(shí)采用超級(jí)電容器進(jìn)行調(diào)節(jié)或過(guò)渡期的補(bǔ)充，可以提高系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，并提高電力能源的質(zhì)量。

近年來(lái)，大功率超級(jí)電容器的生產(chǎn)逐漸走向成熟。我國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)不斷努力，將比活性碳有更多貯存離子空間的金屬氧化物附著在直徑大約100納米的碳納米管上，而碳納米管又涂在鉭金屬薄片上，由此形成了“納米牧場(chǎng)”的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，納米牧場(chǎng)的貯電能力是單個(gè)氧化錳貯電能力的10倍，所貯備的電量是現(xiàn)有超級(jí)電容器所使用的碳電極貯電量的兩倍。納米牧場(chǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以抵擋機(jī)械性能的退化，從而避免超級(jí)電容器的性能隨時(shí)間逐步下降。測(cè)試結(jié)果表明，此新裝置的貯電能力在充電和耗電2萬(wàn)次之后僅僅下降了3％，勝過(guò)其他高性能的設(shè)計(jì)。隨著國(guó)家在風(fēng)能、太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的不斷投入，相信我國(guó)的科研工作者有望讓它們盡快應(yīng)用于實(shí)際中。

(作者單位：河南省新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)