超級電容器的工作原理與應用介紹

究竟什么是超級點電容器?它與電容器有何不同?簡單來說，電容器的功能是存儲電荷并快速傳輸，而電池的功能是存儲電荷并在較長時間內傳輸。換句話說，當你駕駛全新的電動汽車加速時，你需要一個電容器，而當你在高速公路上巡航時，你需要一個電池。從歷史上看，電容電池之前，與第一電容器-或冷凝器-出現在德國中期的18個世紀，“萊頓瓶”。串聯起來，冷凝器形成了一個“電池”。超級電容器并不僅僅憑空出現來解決我們的電池需求：它們已經研究、開發和使用了30多年。

超級電容器又名電化學電容器(ElectrochemicalCapacitors)，雙電層電容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。傳統電容器由兩個導電電極組成，由電介質(如塑料、紙、玻璃或陶瓷)隔開。它們以靜電方式儲存能量。超級電容器(也稱為超級電容器)出現在1970年代后期，顧名思義，在實現相同目標的同時更有效。他們要么在電極和電解質之間的界面上使用電荷分離(所謂的雙電層電容器)，要么使用氧化還原反應、嵌入和電吸附(所謂的贗電容器)。非對稱或混合電容器在非對稱電極上結合了靜電和電化學電容的原理。電化學超級電容器在技術上最接近可充電電池。那么今天小編為大家介紹一下超級電容器的工作原理與主要應用。

1.類型

超級電容器主要分為三類：

1.1雙層電容器

雙層電容器由兩個電極、隔膜和電解質組成。電解質是溶解在水中的正離子和負離子的混合物。兩個電極由隔板隔開。左側電極面同樣與左側電解液接觸;右側電極表面與右側液體電解質接觸。液體電解質和電極表面相遇的點將形成液體電解質和不溶性固體電極表面的共同邊界。

在電極表面和電解質溶液相遇的區域會產生兩個相反的電荷。這些相反的電荷被表示為兩個電荷層或雙電荷層。超級電容器的每個電極產生兩個電荷層。在具有一種極性(正或負)的電極表面上形成一個電荷層，而在電極表面附近的電解質溶液中形成另一個具有相反極性(負或正)的電荷層。這兩個電荷層被溶劑或水分子的單層(一個分子厚的層)隔開。

溶劑分子緊密附著在電極表面，將帶相反電荷的離子隔開。分離相反電荷的溶劑分子充當電介質(介電分子)。溶劑分子不允許電荷通過它們。因此，在電極和電解質之間沒有電荷流動。

當電壓以這樣的方式施加到電容器上時，電池的正極連接到左側電極，電池的負極連接到右側電極，雙電層電容器開始充電。由于該電源電壓，左側電極表面上會產生大量正電荷，而右側電極表面上會產生大量負電荷。這些電荷充當第一層電荷。電解質中的負離子受到來自帶正電的電極的強大吸引力。結果，負離子向帶正電的電極移動。以類似的方式，電解質中的正離子受到來自帶負電的電極的強大吸引力。結果，正離子向帶負電的電極移動。

當這些負離子或正離子靠近電極時，它們會受到溶劑分子的強烈反對。因此，沒有電荷從電解質轉移到電極或電極到電解質。然而，這些相反的電荷會相互施加靜電力。因此，在電極和電解質的共同邊界處會產生大量電荷。 雙層電容器或超級電容器最常用的電極材料是活性炭、碳氣凝膠、碳纖維布和碳納米管。

1.2偽電容器

偽電容器通過電極和電解質之間的電子電荷轉移(電子從電解質到陰極或從陰極到電解質)存儲電能。這可以通過氧化還原(還原氧化反應)來完成。

還原：當原子獲得一個電子并變得更負時會發生還原。

氧化：當原子失去電子并變得更正時會發生氧化。

還原氧化：當一個原子獲得(或失去)一個電子而另一個原子失去(或獲得)一個電子時，就會發生還原氧化。在贗電容器中，氧化還原反應發生在電極和電解質溶液之間。

在贗電容器中，電荷存儲(電容)來自電解質和電極之間的電荷轉移。當向偽電容器施加電壓時，電解質中帶電的原子或離子向帶相反電荷的電極移動。在電極表面與相鄰電解質之間形成兩個電層或雙電層。這兩個電層被電解質分子隔開。雙電層內電解質中的帶電原子充當電子供體并將電子轉移到電極原子。結果，電極中的原子帶電。因此，電荷存儲在雙電層。偽電容器使用導電聚合物或金屬氧化物作為電極。存儲在偽電容器中的電荷量與施加的電壓成正比。偽電容以法拉為單位測量。

1.3混合電容器

混合電容器是利用雙層電容器和偽電容器的技術開發的。在混合電容器中，實現了雙層電容和偽電容。

2.優勢

• 與普通電容器相比，它提供高能量密度和高功率密度。

• 它提供高電容(從1mF到>10,000F)。

• 它提供快速充電能力。

• 它提供卓越的低溫性能(從-40oC到70oC)。

• 它提供更長的服務和更長的使用壽命(大約10至15年，而鋰離子電池為5-10年)。它提供幾乎無限的循環壽命，可以循環數百次。

• 它提供了更高的性能可靠性。

• 它減少了電池的尺寸、重量和連續成本。

• 超級電容器符合環保標準。因此它們是環保的。

• 與傳統電容器(高電容)相比，可存儲大量電荷。

• 即使過度充電，超級電容器也不會像電池一樣爆炸。

3.工作原理

超級電容器是利用雙電層原理的電容器，原理示意圖如圖2。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。

原理示意圖

當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(通常為3V以下)，如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態。由于隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應減少。

由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應。因此性能是穩定的，與利用化學反應的蓄電池是不同的。

4.主要應用

4.1一般應用

消費電子產品：在負載波動的應用中，例如膝上型計算機、PDA、GPS、便攜式媒體播放器、手持設備、和光伏系統，超級電容器可以穩定電源。超級電容器用于輸送功率照相閃光燈在數碼相機和用于LED手電筒，可以在時間短得多段充電。

工具：帶有用于儲能的超級電容器的無繩電動螺絲刀的運行時間約為同類電池型號的一半，但可以在90秒內充滿電。閑置三個月后，它還可以保留85%的電量。

電網電源緩沖器：許多非線性負載，例如EV充電器、HEV、空調系統和高級電源轉換系統，都會導致電流波動和諧波。這些電流差異會造成不必要的電壓波動，從而導致電網上的功率振蕩。功率振蕩不僅會降低電網的效率，還會導致公共耦合總線中的電壓下降，以及整個系統的相當大的頻率波動。為了克服這個問題，超級電容器可以作為負載和電網之間的接口來實現，以充當電網和從充電站汲取的高脈沖功率之間的緩沖器。

低功耗設備電源緩沖器：超級電容器為RAM、SRAM、微控制器和PC卡等低功耗設備提供備用或緊急關閉電源。它們是低能耗應用的唯一電源，例如自動抄表(AMR)設備或工業電子設備中的事件通知。超級電容器緩沖往返可充電電池的電源，減輕短時間斷電和高電流峰值的影響。電池僅在長時間中斷期間啟動，例如，如果主電源或燃料電池出現故障，這會延長電池壽命。不間斷電源(UPS)可以由超級電容器供電，它可以取代更大的電解電容器組。這種組合降低了每個周期的成本，節省了更換和維護成本，使電池能夠縮小尺寸并延長電池壽命。

穩壓器：超級電容器可以通過充當阻尼器來穩定電力線的電壓波動。風力和光伏系統表現出由超級電容器可以在幾毫秒內緩沖的陣風或云引起的波動供應。

微電網：超級電容器可用于微電網存儲，以在需求高且產量暫時下降時瞬間注入電力，并在反向條件下存儲能量。它們在這種情況下很有用，因為微電網越來越多地產生直流電，并且電容器可用于直流和交流應用。超級電容器與化學電池配合使用效果最佳。

能量收集：超級電容器是適用于能量收集系統的臨時儲能裝置。在能量收集系統中，能量從環境或可再生能源(例如機械運動、光或電磁場)收集，并在能量存儲設備中轉換為電能。例如，已經證明從RF(射頻)場(使用RF天線作為適當的整流器電路)收集的能量可以存儲到印刷超級電容器中。然后使用收集到的能量為專用集成電路(ASIC)電路供電10多個小時。

醫療：超級電容器用于除顫器中，它們可以提供500焦耳的能量將心臟電擊回竇性心律。

4.2運輸

航空：2005年，航空航天系統和控制公司迪爾LuftfahrtElektronik公司有限公司選擇了超級電容器電源應急驅動器的門和逃生滑梯中使用飛機，包括空客380。

軍事：超級電容器的低內阻支持需要短期高電流的應用。最早的用途是用于坦克和潛艇中的大型發動機的發動機啟動(冷發動機啟動，尤其是柴油機)。超級電容器緩沖電池，處理短電流峰值，減少循環并延長電池壽命。需要高比功率的其他軍事應用包括相控陣雷達天線、激光電源、軍用無線電通信、航空電子顯示器和儀器、安全氣囊部署的備用電源以及GPS制導導彈和射彈。

汽車：豐田的YarisHybrid-R概念車使用超級電容器提供爆發式動力。PSAPeugeotCitro?n已開始使用超級電容器作為其啟停節油系統的一部分，該系統可實現更快的初始加速。馬自達的i-ELOOP系統在減速期間將能量存儲在超級電容器中，并在發動機被停止啟動系統停止時使用它為車載電氣系統供電。

巴士/電車：美國超級電容器制造商MaxwellTechnologies聲稱，超過20,000輛混合動力公交車使用這些設備來提高加速度，尤其是在中國。廣州，2014年，中國開始使用由超級電容器供電的有軌電車，通過位于軌道之間的設備在30秒內充電，儲存電力以運行電車長達4公里——足以到達下一站，在那里自行車可以被重復。CAF還在其Urbos3有軌電車上以ACR系統的形式提供超級電容器。

鐵路：超級電容器可用于補充配備柴電傳動的柴油鐵路機車的啟動系統中的電池。電容器捕獲完全停止的制動能量，并提供用于啟動柴油機和列車加速的峰值電流，并確保線電壓的穩定。根據駕駛模式的不同，通過回收制動能量可以節省高達30%的能源。低維護和環保材料鼓勵選擇超級電容器。

輕軌和有軌電車：超級電容器不僅可以減少能源，還可以取代歷史城區的架空線路，從而保護城市的建筑遺產。這種方法可能允許許多新的輕軌城市線路取代成本太高而無法完全布線的架空線。

4.3其它應用

手電筒應用

太陽能應用

超級電容器用于筆記本電腦、便攜式媒體播放器、手持設備和光伏系統等電子設備中以穩定電源

超級電容器用作能量收集系統的臨時儲能裝置

超級電容器用于除顫器(一種通過向胸壁提供電流來控制不規則心跳的儀器)

超級電容器

5.關于超級電容器的常見問題

5.1超級電容器能代替電池嗎?

超級電容器因其儲存和釋放能量的能力而優于傳統電容器;然而，它們還無法取代傳統鋰離子電池的功能。

5.2超級電容器的生命周期有多久?

典型的電池有500-1000次充放電循環，而超級電容器可以達到一百萬次循環。在車輛服務中，電池的預期壽命為5至10年，而超級電容器的使用壽命為10至15年。

5.3超級電容器比電池更安全嗎?

超級電容器比電池更安全。然而，使用高于其額定值的電壓為超級電容器充電可能對超級電容器有害。但是，當為多個電容器充電時，它會變成一項復雜的工作。

5.4超級電容器是由什么構成的?

超級電容器由兩個金屬箔(集電器)構成，每個金屬箔都涂有電極材料，例如活性炭，用作電極材料和電容器外部端子之間的電源連接。具體到電極材料是一個非常大的表面積。

5.5給超級電容器充電的最快方法是什么?

一種自動托盤穿梭是使用超級電容器作為其主要的電功率源的理想應用。超級電容器在轉運車上時可在幾秒鐘內快速充電。

結語

以上就是超級電容器工作原理與應用的介紹了。截至2013年，市售的鋰離子超級電容器提供了迄今為止最高的重量比能量，達到15Wh/kg(54kJ/kg)。研究重點是提高比能、降低內阻、擴大溫度范圍、增加壽命和降低成本。項目包括定制孔徑電極、贗電容涂層或摻雜材料和改進的電解質。

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