摘要：超級電容相的電荷存儲能力受多個因素的影響。以商品化的大容量

動力型超級電容器為研究對象，從充電電流、充電電壓、恒壓時間、存儲溫度和

電解液體系5個方面對超級電容器單體的電壓保持能力進行系統(tǒng)研究。結(jié)果表

明，較低的充電電流、充電電壓和環(huán)境溫度以及較長的恒壓時間有利于電荷儲存,

單體電壓保持能力較好。此外，當(dāng)使用的電解質(zhì)鹽相同時(四氟硼酸四乙基錢，

TEA-BF4),碳酸丙烯酯(PC)溶劑基電解液體系的電壓保持能力較好；而當(dāng)使用

的溶劑相同時(PC基體系電解液時)，相同濃度的TEA-BF4電解液電壓保持能力

比四氟硼酸螺環(huán)季錢鹽(SBP-BF4)電解液好。

關(guān)鍵詞：超級電容器；存儲性能；自放電；電壓保持能力；電壓；溫度

現(xiàn)代社會對可再生能源的需求使得儲能裝置在能源有效利用的過程中起到

了重要作用。近年來，超級電容器(SC)由于其高功率密度和長循環(huán)壽命而被廣泛

應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如儲能式有軌電車、混合動力汽車、港口機械等。然而，其應(yīng)

用仍然有限，原因之一便是受制于其固有的快速自放電。超級電容器的自放電是

在未連接到電源的情況下會逐漸出現(xiàn)電壓下降和能量損失的現(xiàn)象。要解決或減輕

自放電問題是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為自放電的機制是多樣的且尚未被完全

理解。目前科研人員研究了各種超級電容器模型下的自放電現(xiàn)象，但是針對商業(yè)

化大容量動力型超級電容器單體的自放電研究十分匱乏。本文通過改變充電電

流、恒壓時間、充電電壓、環(huán)境溫度和電解液體系等5個因素，探究各個因素對

超級電容器單體電壓保持能力的影響，考察了1~150d的超級電容器電壓保持

能力，從而找到更好的充電方法，旨在改善商業(yè)化單體的自放電現(xiàn)象。

1實驗

選取商品化產(chǎn)品2.7V/9500F動力型超級電容器單體作為研究對象。采用超

級電容器測試儀PNE對電容器進行充放電測試。標準測試過程為200A恒流充

電至截止電壓2.7V,恒壓0.5h,然后在25℃恒溫條件下靜置，用歐姆表測試

單體兩端電壓測試電壓保持能力?？疾斐夒娙輪误w不同充電電流的電荷儲能能

力，設(shè)計充電電流為300、250、200、150、100、50、20、10、5、2、1A?？?/p>

察單體不同充電時間的電荷儲能能力，設(shè)計充電恒壓時間為0.5、1、3、6、10h。

考察單體不同電壓下的電荷儲能能力，設(shè)計充電截止電壓為2.0、2.3、2.5、2.7、

2.85V?？疾靻误w在不同溫度下的電荷儲能能力，將其置于環(huán)境溫度箱，設(shè)計溫

度為25、45、55、65℃。考察單體在不同電解液體系的電荷儲能能力，設(shè)計不

同電解液(TEA-BF4/AN、TEA-BF4/PC和SBP-BF4/PC)。

2結(jié)果與討論

2.1充電電流對電壓保持能力的影響

表1是充電電流為300A和1A,不同電壓單體的自放電(SD,24h)。從表

中可以看出，充電電流為300A時,充電截止電壓為2.0、2.3、2.5、2.7和2.85V

的單體的SD依次為298.7、319.7、391.0、473.4和575.1mV；充電電流為1A

時，單體的SD依次為41.6、51.2、62.7、93.4和118.3mV。圖1為不同充電電

流不同電壓SD(24h)測試，可以看出，在充電電流比較高的情況下(N100A),電

容器單體的SD隨充電電流的降低減小得較多。在充電電流比較低的情況下(<100

A),電容器單體的SD隨充電電流的降低減小得較少，都保持在比較低的數(shù)值。

這是由于充電電流較高時，電解質(zhì)離子不能充分進入到電極炭材料內(nèi)部和較窄的

孔隙中，充電電流較低時，電解質(zhì)離子可以充分進入電極炭材料微孔中，SD較

小。單體的SD隨充電電流的減小而減少，電壓保持能力隨充電電流的減小而增

加。

表1充電電流為3()()A和1A,不同電壓單體的SD(24h)

充電截止電壓/V2.02.32.52.72.85

SD（充電電流300A）/mV298.7319.7391.0473.4575.1

SD(充電電流1A)/mV41.651.262.793.4118.3

600

500

400

I

d

s300

200

100

0

100101

電流/A

圖1不同充電電流不同電壓SD(24h)測試(充電電流由300-1A,測試溫度

25℃)

2.2恒壓時間對電壓保持能力的影響

圖2為不同恒壓充電時間單體24hSD測試曲線。從圖中可以看出，恒壓充

電時間越長，單體SD越小，當(dāng)恒壓充電時間為0.5h,單體SD為194.7mV,當(dāng)

恒壓充電時間為10h,單體SD為85.2mV。這主要是由于恒壓時間長，電解質(zhì)

離子能充分進入活性炭內(nèi)部和較窄的孔隙中。去掉外加電源后，這部分電解質(zhì)離

子回到電解液中的較少。若不考慮電力損耗因素，可通過提高單體恒壓充電時間

以降低單體的SD。

200

80

0246810

時間/h

圖2不同恒壓充電時間單體SD(24h)測試(充電電流200A,充電截止電壓

為2.7V,測試溫度為25℃)

2.3充電電壓對電壓保持能力的影響

圖3為不同充電電壓下單體開路電壓測試曲線(25℃)。從圖中可以看出，

在不同充電電壓下的單體端電壓均隨靜置時間的對數(shù)而線性減少，也就是說，單

體自放電過程中的電壓衰減可以用指數(shù)數(shù)學(xué)模型計算。如表2所示不同充電電壓

下單體開路電壓測試數(shù)據(jù)可以看出，靜置Id,充電截止電壓為2.85V、2.7V、

2.5V、2.1V、1.7V和1.3V的單體端電壓依次為2.42V、2.35V、2.19V、1.81

V、1.53V和1.17V；靜置150d,單體端電壓依次為1.76V、1.71V、1.61V、

1.42V、1.13V和0.90V。相同靜置時間，初始充電截止電壓越高，單體的瑞電

壓越高，其中充電電壓為2.85V的單體端電壓最高。主要是由于充電電壓高，

單體充滿電狀態(tài)需要吸附更多的電解質(zhì)離子，在電極/電解液界面累積更多的電

解質(zhì)離子。當(dāng)去掉外部電源時，沒有電場的束縛，從電極表面脫附的電解質(zhì)離子

數(shù)目越多，電壓降低得越多，電壓保持能力越低。目前商業(yè)化超級電容產(chǎn)品的

SD在2.7V測定。因此，可通過適當(dāng)降低單體充電截止電壓提高單體電壓1勺保

持能力。

2.5

時間/d

圖3不同電壓下單體靜置電壓保持能力測試（25℃,充電電流200A）

表2不同充電電壓下單體開路電壓測試數(shù)據(jù)

充電截止電壓/V1.31.72.12.52.72.85

靜置1d/V1.171.531.812.192.352.42

靜置30d/V1.101321.651.871.962.05

靜置150d/V0.901.131.421.611.711.76

2.4溫度對電壓保持能力的影響

圖4為不同溫度下單體靜置電壓保持能力測試曲線。從圖可以看出在不同的

溫度下靜置的單體的端電壓和電壓保持率隨靜置時間的對數(shù)而線性減少。表3

為不同溫度下單體靜置開路電壓測試數(shù)據(jù)，65、55、45和25C溫度下的單體靜

置Id端電壓依次為1.87、2.03、2.11和2.42V,電壓保持率依次為65.9%、71.2%、

73.8%和85.0%；靜置150d,單體端電壓依次為0.90、1.10、1.為和1.76V,電

壓保持率依次為31.6%、38.5%、45.5%和61.9%。相同的靜置時間，環(huán)境溫度越

高，單體的端電壓越低，電壓保持能力越低，單體的自放電越快。這主要是與環(huán)

境溫度有關(guān)，溫度越高電荷運動能力越強，使得單體電荷保持能力越低。同時溫

度越高，越容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，引起漏電流增大。隨著靜置時間增加，單體

端電壓減少變慢，趨于穩(wěn)定。

2.5

▼65

時間/d

(a)單體端電壓

100

80

60

40

20

“110100

時間/d

(b)單體電壓保持率

圖4不同溫度下單體靜置電壓保持能力測試(充電電流200A,充電截止電

壓2.85V,恒壓0.5h)

表3不同溫度下單體靜置開路電壓測試數(shù)據(jù)

齡就“收55c

崢止時間M

用電他/V作持率/%劑電陵/V保持率/%融電限/y保持率/%端電壓/V?!!?/%

11.876S.92.0371.22.1173.82.4285.0

1500.9031.61.1038.51304s.s1.7661.9

2.5電解液體系對電壓保持能力的影響

圖5為不同電解液體系單體靜置電壓保持能力測試曲線。從圖可以看出，在

不同的電解液體系中單體的端電壓隨靜置時間的對.數(shù)而線性減少。當(dāng)單體使用電

解液為相同電解質(zhì)鹽而溶劑不同(即TEA-BF4/AN和TEA-BF4/PC)時，單體的端

電壓隨靜置時間減少的線性直線的斜率近似相同，在相同的靜置時間，使用

TEA-BF4/PC電解液單體的端電壓較高，這主要與電解液的電導(dǎo)率相關(guān)。而使用

相同溶劑和不同電解質(zhì)鹽組成的電解液(即SBP-BF4/PC和TEA-BF4/PC)時，單

體的端電壓隨靜置時間減少的線性直線的斜率相差較大，這主要是由于不同電解

質(zhì)鹽在相同溶劑中的活度不同。

時間/d

圖5不同電解液體系單體靜置電壓保持能力測試曲線(充電電流200A,充

電截止電壓為2.7V,恒壓0.5h,測試溫度為25C)

3結(jié)論

超級電容器單體的SD隨充電電流的降低而減小，當(dāng)充電電流降至100A以

下時，該減小趨勢變緩。單體的SD隨著恒壓充電時間的增加而減小。單體端電

壓均隨靜置時間的對數(shù)而線性減少，相同靜置時間，初始充電截止電壓越高，單

體的端電壓越高，其中充電電壓為2.85V的單體端電壓最高。在相同的靜置時

間，溫度越高，單體的自放電越快，電壓保持能刀越低。此外，使用相同電解質(zhì)

鹽的電解液中，基于PC電解液體系單體的SD比基于AN體系更??；而使用相

同溶劑的電解液，基于TEA-BF4/PC電解液單體的SD比SBP-BF4/PC的更小。

超級電容器的發(fā)展及應(yīng)用

摘要：超級電容器因具有循環(huán)壽命長、容量大、污染小，可快速進行充/

放電等優(yōu)點，在電子、軍事、新能源等高新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其性能主要

由電極和電解質(zhì)的性能水平?jīng)Q定。鑒于此，本篇文章綜合概述了超級電容器的發(fā)

展歷程，并淺析了超級電容器中的關(guān)鍵技術(shù)，即對電極材料和電解質(zhì)的相關(guān)理論

和應(yīng)用進行探究，由此延伸出超級電容器在高新技術(shù)領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超級電容器;性能水平;發(fā)展歷程;具體應(yīng)用

1超級電容流的歷史發(fā)展

電容器最早出現(xiàn)是在18世紀中葉，萊頓瓶被公認為所有電容器的鼻祖。1957

年，美國人Becker獲得了雙電層電容器的專利，為超級電容器的發(fā)展奠定了基

礎(chǔ)。20世紀60年代，超級電容器不斷推陳出新，并于80年代逐漸走向市場。

1969年美國標準石油公司(SOHIO)首次實現(xiàn)了碳材料電化學(xué)電容器的商

業(yè)化。1979年日本NEC公司將超級電容器推向市場，引起人們廣泛關(guān)注，20

世紀90年代，俄羅斯的Econd公司和Elit公司又推出了遹合于大容量、高功率

場合的電化學(xué)電容器。如今，Panasonic>NEC、EPCOS、Maxwell等公司在超級

電容器方面的研究均非常活躍，美國、日本、俄羅斯仍處于世界領(lǐng)先地位。

與國外相比，我國超級電容器的研究起步較晚，始于上世紀9（）年代末。2（）08

年之前，電極技術(shù)曾一度制約了我國超級電容器行業(yè)的發(fā)展。但隨著核心電極技

術(shù)的突破，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)又從高分子科學(xué)角度出發(fā)，自主研發(fā)干法電極技術(shù)，為

中國汽車行業(yè)的超級電容應(yīng)用和干法電極電池的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

在超級電容的電解液方面，我國很多廠家已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位。有些公司正

在研究將新型材料與特定的加工工藝相結(jié)合，來改善現(xiàn)有電解液的缺點，以進一

步提升超級電容器的工作性能，拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域［1］。

2010年開始，國產(chǎn)超級電容器已陸續(xù)開始在新能源汽車、電力配網(wǎng)設(shè)備等

領(lǐng)域應(yīng)用。2015年之言，我國超級電容器產(chǎn)業(yè)在國際上，率先應(yīng)用于儲能式有

軌電車、超級電容客車等領(lǐng)域;在軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、電動船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用

規(guī)模已經(jīng)達到世界領(lǐng)先水平。經(jīng)過多年的自主創(chuàng)新，我國超級電容器的研發(fā)和生

產(chǎn)能力顯著提升，產(chǎn)品技術(shù)水平和產(chǎn)能規(guī)模都趨近國際先進水平［2］。

2016年，中國在世界上成立了第一個超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，目前己經(jīng)有176

個會員單位，這個規(guī)模甚至超越了歐美及全世界電容器廠商的總和。至2020年,

據(jù)超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計，最近五年中國超級電容器產(chǎn)業(yè)的市場增長率超過

35%。其中，部分產(chǎn)品趕上了產(chǎn)業(yè)升級換代的好時機，市場增長率甚至超過了

100%o

2超級電容器特性

超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間、具有特殊性能的新型儲能裝

置。其靜電容量大，使用壽命長，能實現(xiàn)快速充電和大電流放電，因此被稱為“超

級”電容器［3］。

2.1超級電容器的優(yōu)點與缺點

超級電容器的優(yōu)點如下：

（1）超高電容量；

（2）高功率密度；

（3）充電速度快；

（4）超長循環(huán)壽命；

（5）使用溫度范圍寬；

（6）充/放電效率高；

（7）產(chǎn)品質(zhì)量輕，綠色環(huán)保。

雖然超級電容器有如此多的優(yōu)勢，但在使用過程中并非每一個方面都是優(yōu)越

的。超級電容器的缺點如下：

（1）泄漏。超級電容器安裝位置不合理，容易引起電解質(zhì)泄漏等問題；

（2）電路。超級電容器因內(nèi)阻大，僅限于直流電路的使用；

（3）價格。超級電容器是新一代高科技產(chǎn)品，生產(chǎn)成本較高。

2.2超級甩容器分類

根據(jù)不同的標準，超級電容器有不同的分類方式。按照儲能機理的不同可分

為：雙電層超級電容器和法拉第震電容超級電容器。

雙電層超級電容器充/放電容量大、效率高、循環(huán)壽命長，在未來的儲能系

統(tǒng)中極具發(fā)展?jié)摿?。然而，它的能量密度低。因此，提高它的工作電壓成為關(guān)鍵。

法拉第（W電容超級電容器具有比雙電層超級電容器更高的理論比電容，但是

它存在著生產(chǎn)成本高、電極材料利用率低、倍率性能差以及循環(huán)穩(wěn)定性差等諸多

問題。

為了克服不同超級電容器的缺陷，一直以來，人們對于超級電容器的研究主

要集中在開發(fā)新型的電極材料、選擇合適的電解液、優(yōu)化電容器的組裝技術(shù)這三

方面。電極材料和電解液直接影響著超級電容的性能，本篇文章著重對這兩方面

進行介紹。

3超級電容器電極材料

3.1碳基電極材料

在超級電容潛電極材料中，研究最早、技術(shù)最成熟的便是碳材料。目前:研

究較多的電極材料主要有：活性炭、碳氣凝膠等［4］。

3.L1活性炭

活性炭是超級電容器最早采用的碳電極材料。其性能優(yōu)勢有：

（1）比表面積大；

（2）孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達；

（3）化學(xué)穩(wěn)定性高；

（4）純度高，導(dǎo)電性好，具有良好的熱穩(wěn)定性；

（5）易于加工，價格低廉，來源豐富。

隨著對碳基材料的性能要求越來越高，活性炭的后期調(diào)控改性技術(shù)越來越受

到重視?；钚蕴康母男园▋蓚€方面：一是表面結(jié)構(gòu)改性;二是活性炭的表面化

學(xué)性質(zhì)改性。

3.1.2碳氣凝膠

碳氣凝膠是是繼活性炭和活性炭纖維之后的又一理想電容器電極材料。它導(dǎo)

電性能好、隔熱性能優(yōu)異、吸附能力強、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

在制備過程中，研究者通過改變催化劑種類、調(diào)整反應(yīng)物與催化劑配比等改

性方法，制備出結(jié)構(gòu)和電容性能各異的碳氣凝膠，但其孔結(jié)構(gòu)基本上還是中孔。

因此，如果人們能夠在不改變炭網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)二，給它們附加均一的微孔性或

大孔性結(jié)構(gòu)，這無疑將給碳氣凝膠注入新的特性和應(yīng)用價值。

3.2金屬氧化物電吸材料

金屬氧化物是目前比電容和能量密度最高的材料。它原料來源豐富、形態(tài)結(jié)

構(gòu)多樣、電阻低、功率密度高，已成為公認首選的電極材料。

3.2.1貴金屬氧化物

氧化釘電極材料是最先被研究的金屬氧化物電極材料，也是迄今為止性能最

優(yōu)異的法拉第鷹電容材料但是，釘資源有限且價格昂貴，尋找其替代材料或添

加其他材料以減少其用量，成為主要研究方向。目前，將氧化釘與有相似功能且

廉價的其他材料復(fù)合，組成復(fù)合氧化釘電極材料逐漸成為一種趨勢。

3.2.2過渡金屬氧化物

貴金屬氧化物及其復(fù)合材料的高成本大大限制了它的應(yīng)用。因此，研究者們

正在努力研究用其他過渡金屬氧化物來代替貴金屬氧化物。

比如：銀電極材料具有高比電容、良好的倍率性能及穩(wěn)定性，且儲量豐富、

價格低廉、綠色無毒，是一類極具開發(fā)潛力的電極材料?。但其電位窗口相對較低,

如何增加電位窗口以滿足實際商業(yè)應(yīng)用求，仍然是一個有待解決的問題。

3.3導(dǎo)電聚合物電吸材料

導(dǎo)電聚合物又稱導(dǎo)電高分子，它因具有理論比電容大、導(dǎo)電性好、成本低、

易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注。

隨著對輕量級的先進儲能設(shè)備的要求日趨強烈，導(dǎo)電聚合物因具有較高的靈

活性和易制造性，被認為是在柔性超級電容器應(yīng)用中最有發(fā)展前景的電極材料之

一。為了使導(dǎo)電聚合物材料的電化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能滿足實際需要，

人們致力于研究通過調(diào)整聚合方法、表面活性劑的類型和含量等來提高其結(jié)晶

度，從而控制其微觀結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)。

4超級電容器電解液材料

4.1水系電解液材料

水系電解液電導(dǎo)率高、阻抗低，在可承受性、導(dǎo)電性、熱容量和環(huán)境影響方

面具有很大的優(yōu)勢。所以，直到現(xiàn)在水系電解液在超級電容淵的應(yīng)用中占比依然

很大。

但是，水系電解液的主要缺點是受到水分解的制約，電容器的電化學(xué)窗口較

窄，負極電位在0V左右發(fā)生析氫反應(yīng)，正極電位在1.23V左右時發(fā)生析氧反應(yīng)，

氣體的生成會導(dǎo)致超級電容器的損壞。因此，擴大工作電壓窗口提高能量密度是

目前的研究趨勢。除此之外，另一個難點是對操作溫度的限制，需要控制在水的

凝固點以上沸點以下。

4.2有機系電解液材料

有機系電解液材料由于其2.5?2.8V的高工作電壓，在超級電容器中應(yīng)用也

很廣泛。

但是，使用有機系電解液的超級電容器仍然存在許多有待解決的問題：一是

使用有機電解液價格昂貴，比容量沒有水系超級電容器高。二是要考慮電容器的

安全問題，譬如電解液的可燃性、揮發(fā)性和毒性等。二是有機系超級電容器的生

產(chǎn)和組裝過程對環(huán)境要求十分嚴格，增加生產(chǎn)成本。因此，目前對于有機電解液

的研究主要集中在開發(fā)新型電解質(zhì)鹽和優(yōu)選有機溶劑兩個方面，使電解液具有更

加優(yōu)異的性能［7］。

5超級電容器的應(yīng)用

超級電容器因其有眾多的優(yōu)點，在很多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。比如，在電子行

'也，可用作存儲器、電腦等設(shè)備的備用電源，也可作為錄音機、便攜式攝影機等

小型電器的電池;在電動汽車及混合動力汽車領(lǐng)域，超級電容器能較好地滿足電

動車，特別是混合動力型電動車在啟動、加速、爬坡時對功率的各種需求……下

面對在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進行詳細介紹［5］。

從全球來看，提高電力系統(tǒng)的運行可靠性越來越受到重視。因此，提高存儲

器容量成為一種重要的解決方法，特別是對那些能源的獲取途徑不完全可靠的情

況更是如此，比如風(fēng)能或太陽能發(fā)電［6］。

目前，就需要哪現(xiàn)能量存儲的問題，已經(jīng)開展了很多的研究。電化學(xué)電容器

為大容量存儲提供了一種解決方案，尤其是采用水系電解液的非對稱型電化學(xué)電

容器。

2009年，國家電網(wǎng)公司公布了“智能電網(wǎng)”發(fā)展計劃，超級電容器在智能電

網(wǎng)中的應(yīng)用也日趨增加。在新能源消納方面，輸出功率變化較大的可再生能源在

發(fā)電并網(wǎng)時，超級電容器能夠有效降低電網(wǎng)中的短時間（＜lmin）功率擾動。在

微電網(wǎng)運行方面，超級電容器能夠為“并網(wǎng)運行''和"孤島運行''兩種模式之間的切

換提供短時供電，避免供電波動。同時，當(dāng)微網(wǎng)中存在電梯、高鐵站等大負荷站

點時，超級電容器的加入可以緩解大啟動電流對電網(wǎng)的沖擊。在配電網(wǎng)能量調(diào)節(jié)

方面，超級電容器的應(yīng)用有助于調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓，同時，它還參與有功/無功

補償以及諧波補償。

6結(jié)語

超級電容器以超大容量和高儲能密度成為新型“綠色”儲能元件，在眾多領(lǐng)域

中發(fā)揮了極大的作用。電化學(xué)電容器技術(shù)雖然已經(jīng)得到了很好的積累和發(fā)展，但

尚有許多需要解決的問題，如：它的工作電壓低、內(nèi)阻大等。

今后，超級電容器的研究重點仍然是通過開發(fā)和設(shè)計新材料，得到更加理想

的電極材料和電解液，從而提高超級電容器的性能，制備出性能更好、價格更低、

使用更便捷的新型產(chǎn)品以滿足市場需求。

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超級電容器的原理及應(yīng)用

幾種電化學(xué)元件的性能比較表

性能普通電容器超級電容器普通電池

比功率(w/kg104-106102-104<500

比容量(wh/kg)<0.20.2-20.020-200

循環(huán)壽命>106>105<104

充電時間lO^-lO^sO.3-3Osl-5h

放電時間lO^-lO-60.3-30sO.3-3h

充放電效率>95%85%-98%70%-85%

摘要：超級電容器是介于傳統(tǒng)電池和傳統(tǒng)電容器之間的一種新型儲能裝置。

超級電容器因其具有高比功率、能迅速充放甯、綠色環(huán)保、無須維護等優(yōu)點，越

來越受到人們的重視，也逐漸應(yīng)用于生活中的方方面面。本文著重介紹了超級電

容器的儲能原理和主要應(yīng)用領(lǐng)域，并且對超級電容器的性能特點及分類做了簡要

闡述。

關(guān)鍵詞：超級電容器;儲能原理;性能特點;應(yīng)用領(lǐng)域

1簡介

在宏觀經(jīng)濟市場的條件下，人們的物質(zhì)水平及生活質(zhì)量在不斷地提高，對能

源的需求也逐漸增大，造成能源危機日益加重。而對n益嚴重的能源危機和傳統(tǒng)

普通電池存在使用壽命較短、污染環(huán)境等劣勢現(xiàn)象，使得人們不得不開始尋找新

型能源的開發(fā)利用。超級電容器(Supercapacitors)就是在如何解決人們?nèi)找嬖?/p>

長的物質(zhì)需求與我國現(xiàn)存的能源短缺的矛盾的條件下應(yīng)運而生。超級電容器是一

種新型的電化學(xué)儲能裝置，其儲能過程高度可逆。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：超級電容器具有

法拉級的大容量，其功率密度遠大于普通電池的功率密度，并且兼具充放電效率

高、綠色環(huán)保、無需維護等特點。正是由于超級電容器具備的這些特點，使得人

們一再重視并不斷研究如何提高超級電容器性能的課題。

但是，與普通電池相比，超級電容器的能量密度遠低于普通電池，這一原因

在一定程度上限制了超級電容器的發(fā)展。如何增大超級電容器的比容量，成為發(fā)

展超級電容器面臨的難題之一。有學(xué)者提出：普通電池具有很大的比容量，將超

級電容器與普通電池結(jié)合起來使用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，揚其長避其短，是未

來儲能器件的發(fā)展方向之一。

2超級電容器的概述

2.1超級電容器的基本概念

超級電容器是一類類似于蓄電池而又有一定程度差別的儲能裝置.它是一種

介于普通電池和普通電容器之間的電化學(xué)元件，能量的儲存主要是通過極化電解

質(zhì)。其儲能過程不僅高度可逆，而且是物理變化過程。因此，超級電容器既能夠

反復(fù)充放電，又不會末比電容產(chǎn)生任何影響。

2.2超級電容器的儲能原理

按照儲能原理機制，超級電容器分為以下兩類：雙電層電容和準電容（又稱

法拉第鷹電容）。

（D雙電層電容。雙電層電容器儲存能量的途徑，主要是通過電極和電解

質(zhì)之間形成的界面雙層。［1］所謂界面雙層，是指在雙電層電容器中電極與電解

液相互接觸，在庫倫力、分子及原子間作用力的相互影響下，固液界面上出現(xiàn)穩(wěn)

定的、符號相反的雙層電荷。a.充電過程：在兩電極上施加電場，在電場的作用

下，電解液中的陰陽離子分別向正負兩極移動，從而形成雙電層;撤去電場后，

利用同種電荷相互排斥異種電荷相互吸引的性質(zhì)，實現(xiàn)雙電層的穩(wěn)定，產(chǎn)生穩(wěn)定

的電勢差。b.放電過程：將電極與外電路連通，在電勢差的作用下，電子發(fā)生定

向移動形成外電流。此時吸附在電極表面上的陰陽離子回到電解液本體，雙電層

解體。

（2）準電容。準電容器主要是指在電極材料表面或體相的二維或準二維空

間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附脫附或氧化還原反

應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于反應(yīng)在整個體相中進行，因而這種體

系可實現(xiàn)的電容較大"2］a.充電過程：將電極與外電路連通，在外電場的作用下,

電極或溶液表面聚集大量的陰陽離子，通過氧化還原反應(yīng)，這些離子進入到電極

表面活性氧化物的體相中，從而實現(xiàn)電荷的儲存.b.放電過程：進入氧化物中的

離子通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時將所存儲的電荷

通過外電路釋放出來。

2.3超級電容器的分類

對于超級電容器而言，可從不同方面對其進嚀分類，具體分類如下：

（1）從儲能原理方面，可分為雙電層電容器、準電容器和混合型電容器。

混合型電容滯解決了蓄電池的功率密度低和超級電容器能量密度較低的缺點，而

旦不必借助串聯(lián)結(jié)構(gòu)，混合型超級電容器就能滿足工作電壓的需求。

（2）從電極材料方面，可分為碳電極電容器、導(dǎo)電聚合物電容器和貴金屬

氧化物電極電容器。其中由于活性炭的成本較低、比表面積高、容量大等優(yōu)點而

被廣泛應(yīng)用。

（3）從電極上的反應(yīng)情況及結(jié)構(gòu)方面，可分為對稱型和非對稱型超級電容

器。對稱型超級電容器的特點是電極組成相同、反應(yīng)相同、反應(yīng)方向相反;非對

稱型超級電容器的特點是電極組成不同、反應(yīng)不同。

3超級電容器的特點

3.1超級電容器的優(yōu)點

相對于其它儲能裝置而言，超級電容器主要有以下幾點優(yōu)勢［3］：

（1）高比功率：超級電容器的功率密度是普通電池的10?100倍。

（2）使用壽命長、充放電效率高：超級電容器的充放電過程是物理變化，

理論上可充放電數(shù)十萬次乃至無窮大，而且能夠迅速充放電。

（3）作用溫度范圍寬：在超級電容器的充放電過程中，電荷的轉(zhuǎn)移主要是

在電極活性物質(zhì)表面進行，隨溫度的變化其容量不會發(fā)生較大的變化，在-40?

7（）攝氏度的環(huán)境下均能正常工作。

（4）可靠性高：久置不用，普通電池和超級電容器都會發(fā)生電壓降低的現(xiàn)

象，對它們進行充電便可使電壓復(fù)原。與普通電池不同的是，超級電容器的容量

性能不會因此受到任何影響。

（5）綠色環(huán)保、無污染：超級電容器在生產(chǎn)、裝備、工作過程中不會產(chǎn)生

污染環(huán)境的物質(zhì)，并且線路簡單，可以直接讀出剩余電量，檢測方便。

3.2超級電容器的缺點

（1）能量密度低：相較于普通電池，超級電容器的能量密度遠低于普通電

池的能量密度。

（2）耐壓較低：單體電壓低，受制于超級電容器的電解溶液的分解電壓。

（3）成本高，和鋁電解電容器相比，超級電容器的內(nèi)阻較大，不可以用于

交流電路。

3.3超級電容器與其他儲能裝置的比較

4超級電容器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

4.1運輸方面

超級電容器在運輸方面主要應(yīng)用于電動汽車和混合動力汽車領(lǐng)域。電動汽車

和