超级电容器的研究与应用

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. 超级电容器的主要应用领域

超级电容器发展展望：

超级电容器也叫做电化学电容器，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，比容量为传统电容器的20~200倍，比功率一般大于1000W/kg，循环寿命大于100000次，可储蓄的能量比传统电容要高得多，并且充电快速。由于它们的使用寿命非常长，可被应用于终端产品的整个生命周期。而且超级电容器对环境无污染，可以说，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量储蓄装置。当高能量电池和燃料电池与超级电容器技术相结合时，可实现高比功率、高比能量特性和长的工作寿命。近年来，由于超级电容器在新能源领域所表现出的朝阳产业趋势，许多发达国家都已经把超级电容器项目作为国家重点研究和开发项目，超级电容器的国内外市场正呈现出前所未有的蓬勃景象。

依照美国国家能源局的数据预测，超级电容器在全球市场的容量预计将从2007年的4亿美元发展到2013年的120亿美元（见下图1），其中，在电动汽车/新能源汽车领域的市场规模有望在2013年达到40亿美元,在消费电子领域的市场规模有望在2013年达到30亿美元,在工业(风力发电、 轨道交通、重型机械等)领域的市场规模有望在2013年达到40亿美元。 .

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根据中商情报预测，截至2014年，我国超容产业的增长率都在30%以上。

超级电容器的主要应用领域：

1.超级电容器在太阳能能源系统中的应用

太阳能源的利用最终归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。太阳能发电分为光伏发电和光热发电，其中光伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前景尚都远远强于光热发电。自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来，世界上就便开始了太阳能光伏发电的应.

. 用。

目前，太阳能光伏发电系统有三个发展方向：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。在独立运行系统中，储能单元一般是必须有的，它能将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。目前，国际光伏能源产业的需求开始由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已有补充能源向替代能源过渡。国内光伏能源系统仍主要是用在边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭院灯、广告牌等独立光伏发电系统。通过蓄电池组构成的储能系统，能够熨平太阳光照强度波动导致的电能波动，还可以补偿电网系统中的电压骤降或突升，但是由于其充放电次数有限、大电流充放电时间较慢等因素，因此其使用寿命较短，成本较高。因此，在太阳能光伏发电系统中采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性。

一、超级电容器的发展与进步

（一） 概述

在古代，人们发现了与琥珀及橡皮相摩擦，引起表面贮存电荷的可能性。然而这一效应的缘由直到18世纪中叶方被人们理解。140年后，人们开始对电有了分子原子级的了解。早期的有关莱顿瓶的发现和研究，开启了电容器的序幕。之后，电容器不断的发展起来，现如今，其发展起来的电化学超级电容器，已经应用于国防设备、电力设备、通讯设备、铁路设施、电子产品、汽车工业等方方面面，成为当代社会不可缺少的一部分。

电能能够以两种截然不同的方式存贮：一种间接方式是作为潜在可用的化学能，存贮在电池里。另一种直接的方式，则是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能。超级电容器在存贮电荷时有着两种原理，一种是通过双电层原理，以非法第模式来存贮电能；而另一种则是法拉第模式，通过发生氧化还原反应来产生赝电容。目前双电层型超级电容器一般采用碳材料做电极，通过碳材料的大的比表面积来增加双电层的面积，而赝电容型超级电容器一般采用氧化物或聚合物的材料来做为电极。同时，二者在制作超级电容器的时候也可以并用，从而使得超级电容器也可以划分为对称超级电容器和非对称超级电容器，对称即指电容器的两极的材料相同，非对称则不同。在电解质方面，超级电容器绝大多数均采用液体电解质，如水及其它有机溶剂。

超级电容器的电化学性能分析有很多方法，但通常都包括以下四种图：循环伏安曲线，恒流充放电曲线，交流阻抗谱，循环稳定性曲线。通过这四种图可以比较明确地判断出一个超级电容器的电化学性能的好坏，具体判断方法之后会详细说明。

超级电容器有着非常高的功率密度，但是其能量密度却比较低，它有着极好的循环充放电稳定性但是电压窗口却比较窄。但是人们也在对其进行着不断的研究来改善超级电容器的这些弊端。

（二）超级电容器的原理

超级电容器又称为电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件，它的出现填补了 Ragone 图中传统电容器的高比功率和电池的高比能量之间的空白。一方面，与传统电容器相比，超级电容器的电极材料往往选用高比表面积材料，如活性碳，通过静电作用在固/液界面形成对峙的双电层存储电荷，因此超级电容器拥有比传统电容器高的能量密度，静电容量能够达到千法拉至万法拉级；另一方面，与电池能量存储机理类似，超级电容器可以通过法拉第氧化还原反应完成电荷存储和释放，由于主要依靠电极表面或近表面的活性材料存储电荷，超级电容器与电池相比，能量密度较低，但是具有高的功率密度和循环稳定性。

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Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｌ０１．５　Ｎｏ．６　

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陈雪丹　（　ｊ：波ｒ｝・１　新能源科技仃　公・　，　超级电容器的应用　

，陈硕翼　，乔志军　，傅冠生　浙ｉＩｉ　波３１　５１１２：！科　、ｊ　技术　‘，阮殿波　Ｊ披术　７　发　ｆｉ心，，ＩＬ　１０００４４）　

摘要：与传统二　欠电池相比，超级电容器因其具有寿命长、功率密度大等特点，能够满足电动汽车、　也子存　储设备、家用电气、航天航空设备等一些应用领域对高功率储能装置的需求、因此白其问世以来，这种储能器　件的应用便急速扩臆　本文对双电层电容器和混合型超级电容器进行了简单介绍，并对其应用进行综述　关键词：超级电容器：ＥＤＬＣ；混合型超级电容器：应用　ｄｏｔ：１０．１２０２８０．ｉｓｓｎ．２０９５—４２３９．２０１６．００４７　中图分类号：ＴＭ　５３　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—４２３９【２０ｌ６）（】６—８００—０７　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔ０ｒｓ　

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超级电容器材料的研究及应用

超级电容器是一种利用电场存储电能的能量存储器，其在电化学和电磁学理论上都有一定的发展。超级电容器具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，在现代航空、汽车、宇航和智能电网等领域有着广泛的应用。而超级电容器的核心是电极材料，所以先进的电极材料能够带来超级电容器工作性能更好的表现。

一、超级电容器电极材料的研究现状

目前，超级电容器电极材料的研究集中在以下领域：

（1）金属氧化物材料的研究。金属氧化物，如钼酸锂、钴酸镍等，具有优异的电极电化学性能，同时元素资源广泛，价格低廉，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究与应用。

（2）碳材料的研究。碳材料是制备超级电容器电极材料的主要原材料之一，具有良好的导电性和热稳定性。而以活性炭为代表的多孔碳材料还具有大表面积、高比电容等优良性质，因此在超级电容器电极材料以及电池、传感器等领域应用广泛。

（3）二维材料的研究。二维材料，如石墨烯和硼氮化物，具有高比表面积、方便处理的优势，已被广泛研究作为超级电容器电极材料。尤其石墨烯由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性等特性，在超级电容器电极材料研究中被广泛关注。

（4）金属有机骨架材料的研究。金属有机骨架材料，即MOFs，是由金属离子和有机配体组成的晶态材料，具有极大的内孔体积以及可调控的孔径和结构。这种新型材料具有极高的表面积和储能密度，是超级电容器电极材料研究的热点之一。

二、超级电容器电极材料的制备方法 超级电容器电极材料的制备方法主要分为化学还原法、水热法、煅烧法、氧化还原电位法等。其中化学法是制备超级电容器电极材料的常规方法，其通过调节反应条件，可控制电化学行为，实现材料的优异电化学性能；而水热合成是在相对低的温度和压力下，通过压剂或表面修饰剂，实现材料形貌和结构的微观调控；氧化还原电位法是通过扫描电位电化学法控制电位，调控材料的化学反应，从而实现精准控制。

三、超级电容器材料的应用