超级电容器简介 第一章文献综述 超级电容器(Supercapacitors),又名电化学电容器(ElectrochemicalCapacitors ),是一种新型储能元件。它的出现使得传统电容器的上限容量得到了很大的提 升,提高了3-4个数量级,所以才被称作“超级电容器”【l】。 超级电容器既具有像静电电容器一样的非常高的放电功率,又具有可以和电 池相比拟的大电荷储存能力。由于其放电特性与静电电容器更为接近,所以仍然 称之为“电容”。但是,超级电容器已经不再是一般意义上的电路元件,而是一 种新型储能元件。 目前,超级电容器最大的应用领域是电子产品,主要用作记忆器、电脑、计 时器等的后备电源12J。当主电源中断,由于振动产生接触不良或由于其他的重载 引起系统电压降低时,电化学电容器能起到后备补充作用。未来,超级电容器最 为瞩目的应用前景是用于电动汽车,与电池共同组成复合电源为电动汽车提供动 力。在电动汽车实用化的过程中,发现车辆在启动、爬坡和加速时急需供应大电 流脉冲电能;在刹车时,又需要大电流储存电能,这些性能要求是蓄电池难以满 足的,但超级电容器却很容易达到这些要求【3】。并且,超级电容器的使用可以大 大延长蓄电池的循环使用寿命,防止电池的过量消耗和劣化,以提高电动汽车的 实用性。另外,超级电容器还可以被广泛应用于航空航天、国防、通信等领域中。 1.2超级电容器的特点 超级电容器不同于常规的电容器,它存储的能量可达静电电容器的100倍以 上,同时又具有比电池高出10.100倍的功率密度【4J。与静电电容器相比,其优点 是能量密度非常高,容量可达到数千法拉,但是它耐压较低,受制于电解液的分 解电压,漏电较大,且容量随频率显著降低。 从其发展趋势来看,超级电容器主要是用来取代或部分取代电池。与电池相 比,超级电容器具有许多电池无法比拟的优剧51。 (1)具有非常高的功率密度。超级电容器的功率密度可达电池的10~100倍, 达到10kW/kg左右。并且,在短时间内可以放出几百到几千安培的电流。这个 第~章文献综述 特点使得超级电容器非常适合于短时间高功率输出的场刽61。 (2)充电速度快。超级电容器可采用大电流充电,在几十秒至几分钟内完成 充电过程。而电池则需要数小时完成充电,即使采用快速充电也需几十分钟到几 个小时。 (3)使用寿命长。超级电容器充放电过程中发生的电化学反应具有很好的可 逆性,不易出现类似于电池中活性物质的晶型转变、脱落等引起的寿命终止现象。 而且,碳基电容器的理论循环寿命为无穷,实际上可达lO万次以上,比电池高 10~100倍。 (4)低温性能优越。超级电容器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,所以容量随温度的衰减非常小。而电池在低温下容量衰减 幅度却可高达70%。 (5)放置时间长。超级电容器具有更长的自身寿命和循环寿命,超过一定时 间会自放电到低压,但仍能保持其电容量。即使几年不用仍可保留原有的性能指 (6)使用温度范围宽。超级电容器的使用温度范围为.40.70。C,而一般电池为.20.60"(2。在低温时,电池中的化学反应速度极慢而超级电容器中离子的吸脱 附速度则变化不大,故其电容量变化也比充电电池小得多。 下表是超级电容器和静电电容器以及电池的原理以及性能比较f7】,从表中可 以看出超级电容器的特点: 表1.1能量储存装置性能比较 Table1-1 Comparison characteristicsof energystoragecomponents 第一章文献综述表1.2不同电容器之间的比较 Tablel一2 Comparison ofvarious capacitors 超级电容器 静电电容器 低电压操作 相位角不恒定 可逆性较高 电容大小和电压有关 可自我指示充放电程度 高电压操作 相位角为90度 完全可逆 电容大小和电压无关 可自我指示充放电程度 表1-3超级电容器与蓄电池的比较 TableI一3 Comparisonofsupercapacitorswithstoragebattery 超级电容器 电池 在材料转变过程中,自由能连续变化 储存电量的方式为电容性 高度可逆 恒电流放电时,电位呈线性变化 可自我指示充放电程度 单一自由能 储存电量的方式为非电容性 由于材料和反应动力学的不可逆性,通 常表现出不可逆性 恒电流放电时,电位基本不变 不可以自我指示充放电程度 1.3超级电容器的结构 超级电容器主要由电极、电解质和隔膜组成。其中电极包括电极活性材料和 集电极两部分。集电极的作用是降低电极的内阻,要求它与电极接触面积大,接 触电阻小,而且耐腐蚀性强,在电解质中性能稳定,不发生化学反应。