淺析超級(jí)電容器的應(yīng)用及前景

徐瑞

(沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

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淺析超級(jí)電容器的應(yīng)用及前景

徐瑞

(沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

摘要：超級(jí)電容器屬于儲(chǔ)能裝置的一種升級(jí)版，其憑借著自身使用壽命長、功率密度高、充電迅速、使用溫度寬等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。就超級(jí)電容器的原理及應(yīng)用為主要研究對(duì)象，探析超級(jí)電容器的分類、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器贗電容器原理特點(diǎn)應(yīng)用

1超級(jí)電容器分類

就電極而言，超級(jí)電容器可劃分為貴金屬氧化物電極電容器、碳電極電容器及導(dǎo)電聚合物電容器。

就電能機(jī)理而言，超級(jí)電容器分為雙電層電容器、法拉第準(zhǔn)電容(貴金屬氧化物及貴金屬電極)；電容產(chǎn)生機(jī)理是以電活性離子在貴金屬電極表面的欠電位沉積現(xiàn)象或在貴金屬氧化物電極體相及其表面的氧化還原反應(yīng)為依據(jù)的吸附電容。與雙電層電容相比較，吸附電容完全不相同，此外，吸附電容的比電容將隨著電荷傳遞的向前推進(jìn)而不斷增大。

就超級(jí)電容器電極上的反應(yīng)情況及結(jié)構(gòu)而言，超級(jí)電容器可劃分為非對(duì)稱型及對(duì)稱型。對(duì)稱型超級(jí)電容器即為兩個(gè)電極反應(yīng)相同、組成相同、反應(yīng)方向相反，例如貴金屬氧化物、碳電極雙電層電容器等。非對(duì)稱型超級(jí)電容器即為兩個(gè)電極反應(yīng)不同、電極組成不同。

超級(jí)電容器可用電壓的最大值取決于電解質(zhì)分解電壓。電解質(zhì)可為強(qiáng)堿、強(qiáng)酸等水溶液，亦或鹽的質(zhì)子惰性溶劑等。通過水溶液體系，超級(jí)電容器可獲取高比功率及高容量的最大可用電壓；通過有機(jī)溶液體系，超級(jí)電容器可獲取高電壓，并獲取高比能量。

2超級(jí)電容器的原理

就存儲(chǔ)電能的機(jī)理而言，超級(jí)電容器分為贗電容器及雙電層電容器。在本案，筆者就贗電容器及雙電層電容器為研究對(duì)象，探析其原理。

2.1雙電層電容器原理。雙電層電容器屬于一種新型元器件，其能量儲(chǔ)存主要是通過電解質(zhì)與電極間界面雙層得以實(shí)現(xiàn)。若電解液與電極間相互接觸，因分子間力、庫倫力及原子間力作用力的存在，其勢(shì)必會(huì)引起固液界面產(chǎn)生一個(gè)雙層電荷，該電荷具備符號(hào)相反及穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。

雙電層電容器的電極材料主要是多孔碳材料(碳?xì)饽z、活性炭纖維及炭粉末等活性炭、碳納米管)。通常情況下，就雙電層電容器的電極材料而言，其孔隙率影響著其容量大小，即電極材料比表面積隨著孔隙率的增高而變大，雙電層電容隨著孔隙率的增高而變大。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，孔隙率的增高與電容器的變大間無規(guī)律性可言，但電極材料的孔徑大小卻保持在2-50mm范圍內(nèi)，其對(duì)孔隙率的提高、材料有效比表面積的提高及雙電層電容的提高意義至關(guān)重要。

2.2法拉第電容器原理。近年來，超級(jí)電容器電極材料新增了導(dǎo)電聚合物。聚合物產(chǎn)品電子電導(dǎo)率極好其電子電導(dǎo)率不典型數(shù)值高度1-100S/cm。以還原反應(yīng)及電化學(xué)氧化反應(yīng)為依托，在電子軛聚合物鏈上，導(dǎo)電聚合物引入負(fù)電荷及正電荷中心，此時(shí)，電極的電勢(shì)決定了負(fù)電荷及正電荷中心的充電程度。導(dǎo)電聚合物能量存儲(chǔ)的途徑為法拉第過程?，F(xiàn)階段，能夠于較高還原電位條件下高穩(wěn)定低發(fā)生電化學(xué)n型摻雜的導(dǎo)電聚合物數(shù)量相當(dāng)少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。

3超級(jí)電容器的特點(diǎn)

3.1優(yōu)點(diǎn)。(1)容量超高：超級(jí)電容器容量范圍處于0.1-6000F，其等同于同體積電解電容器的2000-6000倍。(2)高功率密度：超級(jí)電容器主要提供瞬時(shí)大電流，其短時(shí)斷流高達(dá)幾百至幾千安培，且其功率密度等同于電池的10-100倍，即10*103W/kg。(3)高充放電效率，長使用壽命：超級(jí)電容器充放電過程對(duì)電極材料結(jié)構(gòu)無任何負(fù)面影響，且電極材料使用次數(shù)對(duì)使用壽命無任何負(fù)面影響。(4)溫度范圍寬，即-40-70℃：溫度對(duì)超級(jí)電容器電極材料反應(yīng)速率的負(fù)面影響程度較輕。(5)環(huán)保、免維護(hù)：超級(jí)電容器材料無毒、安全、環(huán)保。(6)可長時(shí)間放置：超級(jí)電容器因長時(shí)間放置而導(dǎo)致起電壓下降，但只需對(duì)其充電便可使其電壓復(fù)原，且超級(jí)電容器容量性能不會(huì)因此受到任何影響。

3.2缺點(diǎn)。超級(jí)電容器的缺點(diǎn)主要是漏電流量大、能量密度低級(jí)單體工作電壓低等。

4超級(jí)電容器的應(yīng)用

超級(jí)電容器憑借自身眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，例如：充當(dāng)記憶器、計(jì)時(shí)器、內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)電力；電腦等電子產(chǎn)品；航空；太陽能電池輔助電源；電動(dòng)玩具車主電源等領(lǐng)域。在本案，筆者就超級(jí)電容器于消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車及混合電動(dòng)汽車、電力系統(tǒng)級(jí)內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)等四大領(lǐng)域的應(yīng)用展開探討。

4.1消費(fèi)電子。超級(jí)電容器憑借著自身循環(huán)壽命長、儲(chǔ)能高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、鐘表及系統(tǒng)主板等備用電源領(lǐng)域。超級(jí)電容器的充電時(shí)間較短，但充電能量較大。若因主電源接觸不良或中斷等因素而導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，則超級(jí)電容器將起后備補(bǔ)充的作用，以防止儀器因突然斷電而受到損壞。

4.2電動(dòng)汽車及混合電動(dòng)汽車。超級(jí)電容器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)大大滿足了電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)電源的需求。相對(duì)于超級(jí)電容器，傳統(tǒng)動(dòng)力電池因在快速充電、使用壽命、高功率輸出及寬溫度范圍等方面均存在局限而不能最大程度滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的需要。就電動(dòng)車加速、啟動(dòng)或爬坡等高功率需求環(huán)節(jié)，超級(jí)電容器為其提供了極大的方便。如果將超級(jí)電容器配合動(dòng)力電池使用，則電池受到大電流充放電的負(fù)面影響將大幅度降低。此外，在再生自動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)助下，可將瞬間能量回收，以提高超級(jí)電容器能量利用率。

4.3電力系統(tǒng)。隨著超級(jí)電容器的問世，電解電容器已逐漸被超級(jí)電容器所取代。若將超級(jí)電容器應(yīng)用到高壓開關(guān)站或變電站硅整流分合閘裝置中，其將發(fā)揮儲(chǔ)能裝置的作用，并能有效地解決電解電容器因漏電流大及儲(chǔ)能低等缺點(diǎn)而引發(fā)的分合閘裝置可靠性降低等缺陷，且能最大化規(guī)避相關(guān)安全事故的發(fā)生。與此同時(shí)，若以超級(jí)電容器取代電解電容器，其不僅能夠保持原裝置的簡單結(jié)構(gòu)，且能有效地減少電力系統(tǒng)的維護(hù)量，并能大幅度降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本。

4.4內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)。通常情況下，內(nèi)燃機(jī)車柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)主要依靠蓄電池組。但因蓄電池向外放電所需時(shí)間較長，尤其是冬天，其時(shí)間要求更是嚴(yán)格，則其使用效果不理想，且其經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性不高。針對(duì)這一點(diǎn)，德國研究人員首先做出了將超級(jí)電容器應(yīng)用于汽車啟動(dòng)上的嘗試，他們?cè)噲D通過超級(jí)電容器解決怠速汽車因停車導(dǎo)致的能源浪費(fèi)等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超級(jí)電容器蓄電池組質(zhì)量僅為1/3傳統(tǒng)車用蓄電池組，但其實(shí)現(xiàn)了將啟動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩提高1/2，從而有效地增加了內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。

中圖分類號(hào):TB34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)04-0017-01

作者簡介：徐瑞(1994.05-)，男，漢，遼寧遼中人，沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子信息工程專業(yè)。