超级电容器的原理及应用

超级电容器原理及电特性

Principle & Electric characteristics of Ultra capacitor

辽宁工学院 陈永真 孟丽囡 宁武

Chen Yongzhen Liao Ning Institute of Technology

摘 要：叙述了超级电容器的基本结构和工作原理，比较全面地介绍了超级电容器的特点和在特定测试条件下的电特性，分析了如较大的ESR、发热等特殊电特性产生的原因，提出一些注意事项。

关键词：超级电容器 ESR 放电电流

Abstract: Basic structure & principle of ultra-capacitor are described in this paper. The characteristics

about ultra-capacitor and electric characteristics in special measuring conditions are also introduced in

detail. Some reasons of special electric characteristics are analyzed, such as big ESR and heat, at last some

attentions are also put forward.

Key words: ultra-capacitor ESR Discharging current

超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。

1. 级电容器的原理及结构

1.1 超级电容器结构

图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定：

超级电容器发展现状及发展前景分析

超级电容器研究国世界分布图

超级电容器在新能源领域并不是一个陌生的名词。实际上，超级电容器已在该领域历经了几十年的坎坷，虽然它的应用形式同电池不同，但在实际应用上却总被电池取代，此外还面临成本高、技术难度大的劣势。然而，超级电容器在技术上一旦取得突破，将可对新能源产业的发展产生极大的推动力。因此，尽管研发过程困难重重，但攻克它的意义却很重大。

超级电容器的尴尬现状

超级电容器从诞生到现在，已经历了三十多年的发展历程。目前，微型超级电容器在小型机械设备上得到广泛应用，例如电脑内存系统、照相机、音频设备和间歇性用电的辅助设施。而大尺寸的柱状超级电容器则多被用于汽车领域和自然能源采集上，并可预见在该两大领域的未来市场上，超级电容器有着巨大的发展潜力。

超级电容器“全家福”

使用寿命久、环境适应力强、高充放电效率、高能量密度，这是超级电容器的四大显著特点，这也使它成为当今世界最值得研究的课题之一。目前，超级电容器的主要研究国为中、日、韩、法、德、加、美。从制造规模和技术水平来看，亚洲暂时领先。

然而，超级电容器的研发工作一直笼罩在电池(主要为镍氢电池、锂电池)的阴影之下。镍氢电池和锂电池的开发因为可以获得来自政府和大投资商的巨额资金支持，技术交流获得极大推动，也更容易聚焦全世界的目光。相比之下，超级电容器却很难得到雄厚的资金支持，技术的进步和发展也就受到很大程度地制约。另外，超级电容器成本高、能量密度低的现状也与锂电池形成鲜明对比，这使它在很多领域备受冷落。

先驱EEStor公司勇于挑战却惨遭败北

尽管超级电容器已发展多年，但实际生产厂家的数量却少得可怜。一部分厂商面对超级电容器技术上发育不完全的现状，不敢轻易投资，采取观望策略，期待市场能出现一个涉足此领域并获得成功的例子。另外一部分厂商则坚信，只要超级电容器的生产成本实现大幅下降，仅以当前它的快速充放电特性，就可实现快速普及。美国超级电容器生产商EEStor就属于后者。

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。在本案，笔者就赝电容器及双电层电容器为研究对象，探析其原理。

第５苍　６　２０ｌ　６　１ｌ』Ｊ　储能科０　技术　

Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｌ０１．５　Ｎｏ．６　

Ｎｏｖ．２０ｌ６　

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　

ＣＨＥＮＸｌｔｅｄａｎ　，ＣＨＥＮＳｈｕｏｙｉ－　，ＱＩＡＯＺ］ｌ（／ｌｔｌｌ　，ＦＵＧｕａｎｓｈｅｎｇ。，ＲＵＡＮＤｉａｎｂｏ　

（　Ｎｉｎｇｂｏ　ＣＲＲＣ　Ｎｅｗ　Ｅｎｍ’ｇＹ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．　Ｌｔｄ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｌ’Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ，Ｎｉｎｇｂｏ　３１　５ｌ　Ｉ２．Ｚｈｅｊｔａｎｇ．（　ｌｌｉｎａ：　ｌ＇ｈｃ　Ｈｉｇｈ—Ｔｅｃｈ　Ｒｅｓｅａ￣‘ｃｈ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｍｉｎｉｓｉｉ。ｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｐ　Ｒ．（、，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｌｉｔｈｉｕｍ。ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｌ’１ｅｓ．ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｎｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｉｒ　ｌｏｎｇ　ｌｉｆｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｌ’ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｆｒｏｍ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ，　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ，ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，ａｅｌ‘ｏｓｐａｃｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｏｔｈｍ。ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｓｉｎｃｅ　ｔｈｅｙ　ｗｅｒｅ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｏｕｂｌｅ　ｌａｙｍ’ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ（ＥＤｋＣｓ）ａｎｄ　ｈｙｂｉ‘ｉｄ　Ｉｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｉ　ｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ．ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓＬＩｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ／ｕｌＩｒａｃａｐａｃｉｔｏｒｓ：ＥＤＬＣ；ｈｙｂｒｉｄ　ｓｕｐｅｒｃａｃｉｔｏｒｓ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ