1、論超級(jí)電容器的原理及應(yīng)用摘要：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(zhǎng)、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。在本案，筆者就超級(jí)電容器的原理及應(yīng)用為主要研究對(duì)象，探析了超級(jí)電容器的分類、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。關(guān)鍵字：超級(jí)電容器 贗電容器原理 特點(diǎn)及應(yīng)用超級(jí)電容器的發(fā)展始于上個(gè)世紀(jì)70年代-80年代，其為一種介于傳統(tǒng)電容器與電池間的新型儲(chǔ)能器件。相對(duì)于傳統(tǒng)電容器，超級(jí)電容器具備電容量大（為2000-6000倍同體積電解電容器）、功率密度高（為10-100倍電池）、充放電電流量大、充放電循環(huán)次數(shù)高（大于105次）、充放電效率高、免維修等優(yōu)點(diǎn)。在本案，筆者以超級(jí)電容器為研

2、究對(duì)象，探析其原理、應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用效果。一、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)電容器可劃分為雙電層電容器（電容產(chǎn)生機(jī)理為以電解液及電極上的電荷分離為基礎(chǔ)雙電層電容）、法拉第準(zhǔn)電容(組成成分為貴金屬氧化物及貴金屬電極；電容產(chǎn)生機(jī)理為以電活性離子于貴金屬電極表面欠電位沉積現(xiàn)象或于貴金屬氧化物電極體相及表面因氧化還原反應(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

3、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)電容器最大可用電壓取決于電解質(zhì)分解電壓。電解質(zhì)可為強(qiáng)堿或強(qiáng)酸等水溶液，亦可謂鹽的質(zhì)子惰性溶劑等有機(jī)溶液。通過水溶液體系，便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，便可獲取高電壓，從而獲取高比能量。二、超級(jí)電容器的原理就存儲(chǔ)電能的機(jī)理而言，超級(jí)電容器可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。（一）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?jī)?chǔ)存主要是通過電解質(zhì)與電極間界面

4、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(kù)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)。雙電層電容器電極材料以多孔碳材料為主，例如碳?xì)饽z，活性炭纖維、活性炭粉末等活性炭，碳納米管。通常情況下，雙電層電容器電極材料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，但電極材料孔徑大小保持為2-50mm間，將有助于孔隙率的提高，從而實(shí)現(xiàn)材料有效比表面積的提高，并最終實(shí)現(xiàn)雙電層電容的提高、（二）贗電容器原理贗電容即法拉第準(zhǔn)電

5、容，其主要是指于電極材料體相或表面準(zhǔn)二維或二維空間內(nèi)，通過欠電位沉積電活性物質(zhì)，發(fā)生高度可逆的氧化或脫附、化學(xué)吸附、還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生一個(gè)電容，該電容與電極充電電位間存在一定關(guān)系。因一切反應(yīng)均發(fā)生于整個(gè)體相內(nèi)，則其產(chǎn)生的最大電容值相當(dāng)大，例如吸附型準(zhǔn)電容就高達(dá)2000*10-6F/cm2。就氧化還原型電容器，其產(chǎn)生的最大電容量更大。已經(jīng)被公認(rèn)了的碳材料比容值為20*10-6F/cm2，則就重量級(jí)體積相同條件下，贗電容器容量為10-100倍雙電層電容器容量。現(xiàn)階段，贗電容器電極材料以導(dǎo)電聚合物及金屬氧化物為主。金屬氧化物超級(jí)電容器電極材料以過渡金屬氧化物為主，例如V2O5、MnO2、IrO2、W

6、O3、NiO、RuO2、Co3O4等。金屬氧化物在超級(jí)電容器電極中的應(yīng)用效果最佳，就H2SO4電解液內(nèi)而言，金屬氧化物比容能高達(dá)700-760F/g。但是，因RuO2資源稀有、價(jià)格昂貴，則其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用受到極大的限制。隨著技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)研究的深入，科研人員正在試圖從NiO及MnO2等價(jià)格低廉的金屬氧化物內(nèi)提取出能夠取代RuO2的電極材料。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。通過還原反應(yīng)及電化學(xué)氧化反應(yīng)于電子軛聚合物鏈上，導(dǎo)電聚合物引入負(fù)電荷及正電荷中心，電極電勢(shì)決定了負(fù)電荷及正電荷中心充電程度。導(dǎo)電聚合物能

7、量存儲(chǔ)的途徑以為法拉第過程。現(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。三、超級(jí)電容器的特點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)1.容量超高：超級(jí)電容器容量范圍處于0.1-6000F，為2000-6000倍同體積電解電容器。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，其功率密度為10-100倍電池，即10*103W/kg。3.高充放電效率，長(zhǎng)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

8、 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(zhǎng)時(shí)間放置：超級(jí)電容器因長(zhǎng)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。（二）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。四、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、電腦等電子產(chǎn)品后備電源；內(nèi)燃機(jī)內(nèi)啟動(dòng)電力；航空航天；太陽(yáng)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。（一）消費(fèi)電子超級(jí)電容器因其循

9、環(huán)壽命長(zhǎng)、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)電容器充電時(shí)間要求較短，且充電能量較大。若因主電源接觸不良或中斷等因素導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，超級(jí)電容器將起到后備補(bǔ)充的作用，以免儀器因突然斷電而受到損壞。下圖便為電路中超級(jí)電容器應(yīng)用原理圖：超級(jí)電容器完全可以代替電池而成為新型環(huán)保型小型用電器電源，且數(shù)字鐘、錄音機(jī)、電動(dòng)玩具、照相機(jī)及便攜式攝影機(jī)等電源都可選取超級(jí)電容器，理由是超級(jí)電容器具備經(jīng)濟(jì)性高及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。若將超級(jí)電容器與電池聯(lián)用，其使用效果極佳，即允許長(zhǎng)期供電、蓄電池容量大、克服超大電流放電相關(guān)局限等。若將超級(jí)電容器應(yīng)用于大功率大脈沖電源

10、，尤其是某些無線技術(shù)便攜裝置，其應(yīng)用效果不言而喻。（二）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。（三）電力系統(tǒng)隨著超級(jí)電容器的問世，電解電容器已經(jīng)被超級(jí)電容器逐漸取代。若將超級(jí)電容器應(yīng)用于高壓開關(guān)站

11、及變電站的電容儲(chǔ)能式硅整流分合閘裝置，其將發(fā)揮儲(chǔ)能裝置的作用，并能有效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不高等缺陷，及最大化規(guī)避相關(guān)安全事故的發(fā)生。此外，若將超級(jí)電容器取代電解電容器，其不僅能夠保持原裝置簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，而且能夠有效減少電力系統(tǒng)維護(hù)量，并且能夠大幅度降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本。超級(jí)電容器在分布式電網(wǎng)儲(chǔ)能中的應(yīng)用面較廣，且應(yīng)用效果極佳。分布式電網(wǎng)系統(tǒng)通過多組超級(jí)電容器而以電場(chǎng)能形式將能量一一儲(chǔ)存起來，在能量需要或緊缺情況下，再通過控制單元將存儲(chǔ)能量釋放出來，以此有效地為系統(tǒng)提供能量所需，從而確保系統(tǒng)電能平衡機(jī)控制穩(wěn)定。（四）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

12、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(zhǎng)，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(guó)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?jī)H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。結(jié)束語綜上所述，超級(jí)電容器均被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)、消費(fèi)電子及電動(dòng)汽車及混合電動(dòng)汽車等眾多領(lǐng)域，且其應(yīng)用效果極其理想。超級(jí)電容器有效地填補(bǔ)了傳統(tǒng)化學(xué)電源與靜電電容器間的缺陷。由此可見，超級(jí)電容器具備廣闊的研究?jī)r(jià)值及應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1 劉小軍,盧永周.超級(jí)電容器綜述J.西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2011,14(2):69-73. 2 劉革菊,董立新.超級(jí)電容器應(yīng)用介紹J.山西電子技術(shù),2012,(2):38-39,72. 3 余泉茂,王仁清.石墨烯制備及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用研究J.材料導(dǎo)報(bào),2012,26(15):7-13. 4 翟宇.超級(jí)電容器成組技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用D.北京交通大學(xué),2011. 5 楊蓉,康二維,崔