第七章-超级电容器储能技术

论超级电容器的原理及应用摘要：超级电容器属于储能装置的一种晋级版，其凭借着自身使用寿命长、功率密度高、充电迅速、使用温度宽等优点而被广泛应用。

在本案，笔者就超级电容器的原理及应用为主要研究对象，探析了超级电容器的分类、原理、特点及应用。

关键字：超级电容器赝电容器原理特点及应用超级电容器的开展始于上个世纪70年代-80年代，其为一种介于传统电容器与电池间的新型储能器件。

相对于传统电容器，超级电容器具备电容量大〔为2000-6000倍同体积电解电容器〕、功率密度高〔为10-100倍电池〕、充放电电流量大、充放电循环次数高〔大于105次〕、充放电效率高、免维修等优点。

在本案，笔者以超级电容器为研究对象，探析其原理、应用领域及应用效果。

一、超级电容器分类就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。

就电能机理而言，超级电容器可划分为双电层电容器〔电容产活力理为以电解液及电极上的电荷别离为根底双电层电容〕、法拉第准电容(组成成分为贵金属氧化物及贵金属电极；电容产活力理为以电活性离子于贵金属电极外表欠电位沉积现象或于贵金属氧化物电极体相及外表因氧化复原反响为根据的吸附电容。

与双电层电容相比较，吸附电容完全不一样，此外，吸附电容的比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。

就超级电容器电极上的反响情况及构造而言，超级电容器可划分为非对称型及对称型。

对称型超级电容器即为两个电极反响一样、组成一样、反响方向相反，例如贵金属氧化物、碳电极双电层电容器等。

非对称型超级电容器即为两个电极反响不同、电极组成不同。

超级电容器最大可用电压取决于电解质分解电压。

电解质可为强碱或强酸等水溶液，亦可谓盐的质子惰性溶剂等有机溶液。

通过水溶液体系，便可获取高比功率及高容量的最大可用电压；通过有机溶液体系，便可获取高电压，从而获取高比能量。

二、超级电容器的原理就存储电能的机理而言，超级电容器可分为赝电容器及双电层电容器。

超级电容的储能技术研究摘要：超级电容是一种新型的储能元件，近年来受到了广泛的关注。

对基于超级电容储能方式的城市轨道交通系统进行研究时首要解决的问题是超级电容阵列的容量和链接方式的设计。

本文主要对超级电容进行了原理的分析和优缺点的总结。

关键字：超级电容；主电路；系统容量1.超级电容1.1.工作原理超级电容器包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件，利用活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构获得超大电容值。

在电解液中同时插入两个多孔碳电极并在两端施加电压，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，在电场作用下电解质溶液中的正负离子聚集到与极板相对的界面上，从而形成双电层。

当向电极施加电压时，电极表面的静电荷吸引电解液中部分不规则分布的带异电荷离子，在电极电解液界面处排成一排，形成一个电荷量与电极表面剩余电荷量相等，符号相反的界面层，一层在电极上一层在电解液中形成双电层，两个电极分别形成一个界面，电容值为正负两个电极串联电容之和。

1.1.超级电容的优点超级电容器也并非没有缺点，从目前的产品情况来看，超级电容器主要存在以下的不足之处。

（1）功率密度高。

超级电容器的内阻小，同时，由于本身材质特点，可以实现电荷快速转移，输出功率高，一般可以达到蓄电池的数十倍；（2）使用寿命长。

具有至少几十万次的使用寿命，是蓄当今蓄电池使用寿命的几十倍乃至上百倍；（3）充电时间短。

超级电容器的双电层结构可以实现快速的电化学过程，并且可釆用大电流充电，一般几十秒至几分钟完成充电；（4）工作稳定范围广。

容量随温度的变化小，在的环境温度下正常工作；（5）效率高。

库伦效率可以达到以上；（6）绿色环保。

生产过程不使用重金属等有害化学物质，循环使用寿命长，属环境友好型产品。

1.1.超级电容的不足超级电容也存在一些不足之处：（1）采用线性放电。

超级电容线性放电的特性使它无法完全放电，放电工作过程中会有一定局限。

（2）低能量密度。

目前超级电容可储存的能量比化学电源少得多，对大容量能量需求场合不适用。

超级电容器技术的研究背景及发展现状1. 研究背景随着科技的进步及社会文明程度的提高，能源问题已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时，也是促进能源科技发展的巨大推动力。

进入二十一世纪之后，能源短缺和环境恶化的问题日益严重，这促使人们应更加重视建立确保经济可持续增长、有利于环境的能源供应体系，节能和扩大新能源开发利用成为世界性的趋势。

石油作为一种不可再生资源，随着人类需求的不断增长，已面临严重的短缺，并由此不断引发全球性的社会、经济、政治问题。

而且，全球燃油汽车消费量的不断增加，燃油汽车排放的NO x和CO x对全球环境带来严重污染，并导致地球温室效应。

开发更加清洁、环保的电动汽车被认为是解决能源问题和环保问题的一条有效途径，目前已成为全球性的研究热点。

电动汽车的研究经过多年的研发，特别是最近十年来的集中研究，已经对电动汽车有了比较统一的认识。

纯电动汽车（镍氢电池或锂离子电池作主电源）适合于短途应用，燃料电池电动车由于技术和成本因素在二十到三十年内不具备商业化应用的竞争力，而混合电动车（“油＋电”混合，）被认为是最接近商业化的技术模式。

“油＋电”混合电动车中的“电”主要是指二次电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。

目前，商品化的二次电池虽然具有较高的比能量，但比功率都很低，一般不超过500W/kg，而且电池在高脉冲电流放电或大电流充电时会影响其使用寿命，并引起电池内部发热、升温，存在安全隐患。

燃料电池同样是一种低比功率的储能元件，耐大电流充放电能力差。

单独使用电池作为动力电源无法满足电动汽车对电源系统的要求。

从能源的利用形态来看，电能作为能量利用的最终形态，已成为人类物质生产和社会发展不可缺少的“源动力”。

近年来，小型分立的可移动电源的发展更是增加了电能的利用形式和应用范围。

电能除了通过固有的电网系统应用于工业和家庭生活外，通过可移动电源（如铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池）等“承载体”更是成为随时随地均可便捷使用的动力源，极大方便了人们的物质文化生活。

超级电容器储能技术及其应用摘要：超级电容器是近年发展起来的一种新型储能元件，具有功率密度高、寿命长、无需维护及充放电迅速等特性。

叙述了超级电容器的分类、储能原理和性能特点，介绍了超级电容器目前的应用领域及应用中需要关注的问题。

超级电容器，也叫电化学电容器，是20世纪60年代发展起来的一种新型储能元件。

1957年，美国的Becker首先提出了可以将电容器用作储能元件，具有接近于电池的能量密度。

1962年，标准石油公司(SOHIO)生产了一种工作电压为6V、以碳材料作为电极的电容器。

稍后，该技术被转让给NEC电气公司，该公司从1979年开始生产超级电容器，1983年率先推向市场。

20世纪80年代以来，利用金属氧化物或氮化物作为电极活性物质的超级电容器，因其具有双电层电容所不具有的若干优点，现已引起广大科研工作者极大兴趣。

1超级电容器的储能原理超级电容器按储能原理可分为双电层电容器和法拉第准电容器。

1.1双电层电容器的基本原理双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。

当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。

这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，这种储能过程是可逆的。

1.2法拉第准电容器的基本原理继双电层电容器后，又发展了法拉第准电容，简称准电容。

该电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。

对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。

2超级电容器的特性超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件，其巨大的优越性表现为：①功率密度高。

超级电容器的内阻很小，而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。

超级电容技术原理简介超级电容器(Supercapacitor ultraca-pacitor) 又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor),它不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊的储能元器件。

超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大电容量的。

众所周知,传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获得较大的容量,导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。

传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料通常要求尽可能的薄。

超级电容器在分离出的电荷中存储能量,用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集,其电容量越大。

超级电容器的极板面积是基于多孔炭材料,该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g,通过一些措施可实现更大的表面积。

超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。

该距离和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。

这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊入大的静电容量,故称其为“超级电容器”。

超级电容器拥有比传统电容器高出数千倍的电容值,目前常用的超级电容器的电容量是(0.1F～5000F),最高可达上万F(法拉)。

与利用化学反应的蓄电池不同,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,性能十分稳定。

它具有功率密度大、重量轻、体积小、充电时间短、安全系数高、使用寿命长、低温特性卓越、免维护、节约能源和绿色环保等诸多特点。

因而其用途极其广泛,发展前景非常看好,世界各国在此方面的重视程度和研发投入正在快速提高。

超级电容器的出现,填补了传统电容器和各类电池间的空白。

它最初在电力系统得到广泛的应用,此外用作起重装置的电力平衡电源,可提供超大电流的电力;用作车辆启动电源,启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高,可以全部或部分替代传统的蓄电池;用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车;用在军事上可保证坦克、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、又可作为激光武器的脉冲能源等。

超级电容器的原理及应用一、原理：超级电容器（Supercapacitor）又称为超级电容器或超级电容器电池，它是一种特殊的电容器，其存储能量量级为焦耳级别，远高于普通电容器的毫焦耳级别。

超级电容器具有快速充电和放电、长寿命、高循环稳定性等特点，适合于需要高能量密度和高功率密度的应用场合。

观察超级电容器的内部结构，其由两个锰氧化物电极板和一个电介质隔离层组成，锰氧化物电极板表面没有铝箔覆盖，其间以100nm的间距排列，从而即可达到高电容电极表面积的效果。

电介质隔离层由聚丙烯的多层膜组成。

在正极板和负极板之间的介质薄膜壁具有极高的介电常数，因此能够将电场强度扩展到导电性電解質中。

因此，超级电容器具有更高的比容量和能量密度。

二、应用：超级电容器可广泛应用于电子、汽车、医疗等领域。

以下是具体的应用：1. 电子产品：可广泛应用于移动物联网、消费电子等领域。

例如，可用于数码相机、MP3等数码产品，为其提供性能更加卓越的电源。

2. 汽车研发：超级电容器可以在汽车领域应用到停车制动能量回收系统、发动机启动、辅助动力系统等方面。

比如，在刹车时，能够以更为高效的方式回收能量，提高储能系统的效率，在加速时则能够减少电池的功率消耗，从而延长电池使用寿命。

同时，超级电容器还能在车辆制动、起动和交通噪声的减少方面发挥重要作用。

3. 医疗器械：在呼吸机、心脏起搏器等医疗领域中，超级电容器可以减小器械的尺寸同时增加器械的能量输出。

4. 其他领域：超级电容器还可广泛应用于军事领域、能源行业、新能源领域及航空航天等领域。

面向未来的新型储能技术随着时代的发展，人们对能源的需求也愈发增长，同时对能源的清洁化和可持续性也提出了更高的要求。

而在能源领域中，储能技术被认为是我国能源发展的重要一环。

储能技术，可以帮助我们在不同的时间段内合理安排能源利用，从而解决包括能源储备不足、风能、太阳能等可再生能源波动性大、电网稳定性差等问题，实现我们的能源可持续发展。

近年来，我国在新型储能技术方面取得了不小的进展，下文就来聊聊一些广受关注的面向未来的新型储能技术。

一、超级电容器技术超级电容器是一种新型的储能技术，主要由正面、负面和电解介质三部分组成。

超级电容器具有电子传递速度极快、循环寿命长、承受重复充放电等特点，可以有效地弥补锂离子电池等传统电池无法胜任的问题。

超级电容器可以应用在电动汽车、风力发电、调峰辅助等领域，是储能技术领域未来的发展方向之一。

二、热电储能技术热电储能技术是一种将太阳能等热能转化为电能的储能方式。

热电储能技术的优点是具有高效、可靠、环保等特点，同时可以解决太阳能利用的储存问题。

热电储能技术一般由集热器、储热器、蒸汽发生器、透镜等组成。

这项技术可以广泛应用在电动汽车、风力发电、太阳能光伏等领域，其前景十分广阔。

三、氢能储存技术氢能储存技术是一种将电能转化为氢气的储能方式，通过将水分解成为氢气和氧气，将氢气储存在氢气罐中，再根据需要时重新将氢气转化为电能。

氢能储存技术具有环保、储能效率高等优点，目前在气候变化、发电等领域得到广泛应用。

未来随着技术进一步发展，氢能储存技术可能成为替代化石燃料的重要选择。

四、流电池技术流电池技术是一种由两种液体或固体电解质高速流动，同时进行反应的电池储能技术。

流电池技术有着很高的储存密度和高效率的特点，目前在电动汽车、UPS、储能电站等领域有着广泛的应用前景。

未来随着技术进一步完善，流电池技术将成为高效储能领域的重要一环。

总体来看，新型储能技术是实现能源清洁化、可持续发展的重要途径，而未来的储能技术也应当面向更高效、更环保、更可靠的方向。

第7章习题答案7-1简述飞轮储能的构成并说明各组成部件的作用。

解：飞轮储能系统主要由飞轮转子、轴承系统、电机系统、真空室、电能转换器系统等构成。

飞轮转子是储能装置，利用转子的高速旋转可以将能量以机械能的形式进行储存，并通过转速的变化实现能量在动能与电能之间的转化；轴承系统的作用是支承转子安全稳定旋转，并减小旋转过程中产生的摩擦阻力；电机系统集成了发电机和电动机，在储能系统充放电时实现电能和动能之间的相互转换；真空室用于维持飞轮转子的真空环境，从而降低空气阻力带来的摩擦损耗，目的是实现能量的高效率存储和释放，并且对飞轮装置起到保护作用；电能转换器系统是将输入电能转换为直流电供给电机，对输出电能进行调频、整流后供给负载的关键部件，主要对充放电所需的电能进行整流和转换，以满足负载所需电压或频率的要求。

7-2 什么是失超？产生失超现象的原因有哪些？失超对系统有哪些影响？应该采取哪些措施？解：失超是超导体在运行过程由于受到扰动无法满足临界电流等条件，从而失去超导体的优良导电特性的一种状态。

失超的原因：超导材料制备过程中的缺陷导致局部性能较差；一些扰动如电流引线或仪器测控引线引入的热扰动、洛伦兹力产生的导线运动、绕组变形、交流损耗、核辐射热和束流辐射、磁通跳跃等可能导致失超；超导储能系统持续吸收有功功率的时间较长，也会使超导线圈中的电流密度超过临界电流密度而导致失超。

失超的影响：失超导致超导体大量发热，温度迅速上升会造成设备损坏、绝缘层破坏、甚至冷却液气化造成系统体积膨胀进而发生破裂和爆炸等问题。

失超保护措施：失超保护措施可分为两类：一类是将超导体内的能量转移至超导体外释放，如并联外部电阻保护与变压器保护；二是加速超导体的失超，使能量消耗在超导体内，如内部分段并联电阻保护与并联二极管保护。

7-3 超级电容的“超级”体现在哪里？解：超导电容的“超级”在于：(1) 超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的阴离子，负极板吸引阳离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的阳离子在负极板附近，阴离子在正极板附近。