楊盛毅，文方

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003)

摘要：超級(jí)電容器是一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的一種新型儲(chǔ)能元件，它具有很高的放電功率、法拉級(jí)別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長(zhǎng)的使用壽命、免維護(hù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了超級(jí)電容器的原理、發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)。歸納了超級(jí)電容器應(yīng)用研究狀況，并指出使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)及解決方法。

0引言

超級(jí)電容器(Supercapacitors)是近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲(chǔ)能元件。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲(chǔ)備電荷的能力。與傳統(tǒng)電容相比，具備達(dá)到法拉級(jí)別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長(zhǎng)的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)十萬(wàn)次以上，且不用維護(hù)；與化學(xué)電池相比，具備較高的比功率，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。因此，超級(jí)電容器是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置，它優(yōu)越的性能得到各方的重視，目前發(fā)展十分迅速。

1超級(jí)電容器的原理及發(fā)展?fàn)顩r

1.1超級(jí)電容器的原理

根據(jù)儲(chǔ)存電能機(jī)理的不同分為兩類：一類是基于高比表面積碳材料與溶液間界面雙電層原理的雙電層電容器(Electric double layer capacitor，EDLC)；另一類是在電極材料表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)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)的法拉第準(zhǔn)電容(Faraday Pseudo-capacitor)。實(shí)際上各種超級(jí)電容器的電容同時(shí)包含雙電層電容和法拉第準(zhǔn)電容兩個(gè)分量，只是所占的比例不同而已。

1.2超級(jí)電容器的發(fā)展?fàn)顩r

1879年，亥姆霍茨(Helmholtz)發(fā)現(xiàn)界面雙電層現(xiàn)象，提出了平板電容器的解釋模型，但直到1957年Becker獲得了雙電層電容器的專利，才使得超級(jí)電容器的產(chǎn)品化有了新的突破。到目前超級(jí)電容器已有50多年的發(fā)展歷史，其間對(duì)于超級(jí)電容器的研究主要集中在尋找電極活性物質(zhì)作為電極的研究上。今后人們將會(huì)繼續(xù)研究與開發(fā)新穎的電極材料、選擇合適的電解液、優(yōu)化電容器的組裝技術(shù)。目前電極材料可以分為三類：第一類是碳材料；第二類是過渡金屬氧化物；第三類是導(dǎo)電聚合物材料。

實(shí)際上，后兩種物質(zhì)作電極的性能要優(yōu)于碳材料，但昂貴的貴金屬材料以及性能不穩(wěn)定的導(dǎo)電聚合物摻雜，使得后兩類超級(jí)電容器的研究多限于實(shí)驗(yàn)室，短期內(nèi)不太可能進(jìn)行商業(yè)化。此外，還有使用不同正負(fù)電極材料的非對(duì)稱型超級(jí)電容器(也稱混合超級(jí)電容器或雜化超級(jí)電容器)，其儲(chǔ)能能力大大增加。

在超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化上，最早是1980年NEC/Tokin與1987年松下三菱的產(chǎn)品。到20世紀(jì)90年代，Econd和ELIT推出了適合于大功率啟動(dòng)動(dòng)力場(chǎng)合的電化學(xué)電容器。如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、Powerstor、Evans，SAFT，Cap-xx，NESS等公司在超級(jí)電容器方面的研究均非常活躍?？偟膩?lái)說，目前美國(guó)、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個(gè)超級(jí)電容器市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基本上都是雙電層電容器。現(xiàn)將國(guó)外在電化學(xué)電容器方面的主要研究情況列于表1。

2超級(jí)電容器的特點(diǎn)

超級(jí)電容器作為一種新的儲(chǔ)能元件，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)超高電容量(0.1～50000F)。比同體積鉭、鋁電解電容器電容量大2000～50000倍。

2)漏電流極小，具有電壓記憶功能，電壓保持時(shí)間長(zhǎng)。

3)功率密度高，可作為功率輔助器，供給大電流。

4)充放電效率高，具有超長(zhǎng)自身壽命和循環(huán)壽命，即使幾年不用仍可保留原有的性能指標(biāo)，充放電次數(shù)大于10萬(wàn)次。

5)對(duì)過充放電有一定的承受能力，短時(shí)過壓不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，能反復(fù)地穩(wěn)定充放電。

6)溫度范圍寬-40℃～+70℃，一般電池是-20℃～+60℃。且免維護(hù)，環(huán)境友善。

但是，目前超級(jí)電容器還有一些需要改進(jìn)的地方，如能量密度較低，體積能量密度較差，和電解電容器相比，工作電壓較低，一般水系電解液的單體工作電壓為0V～1.4V，且電解液腐蝕性強(qiáng)；非水系可以高達(dá)4.5V，實(shí)際使用的一般為3.5V，作為非水系電解液要求高純度、無(wú)水，價(jià)格較高，并且非水系要求苛刻的裝配環(huán)境。

3超級(jí)電容器應(yīng)用研究狀況

超級(jí)電容器作為大功率物理二次電源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域用途十分廣泛。各發(fā)達(dá)國(guó)家都把超級(jí)電容的研究列為國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略研究項(xiàng)目。1996年歐共體制定了超級(jí)電容器的發(fā)展計(jì)劃，日本新陽(yáng)光計(jì)劃中列出了超級(jí)電容器的研制，美國(guó)能源部及特種部也制定了發(fā)展超級(jí)電容器的研究計(jì)劃。我國(guó)從80年代開始研究超級(jí)電容器，北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)等也陸續(xù)開展超級(jí)電容器相關(guān)研究工作。2005年，中國(guó)科學(xué)院電工所完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300Wh/1kW超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。2006年8月，世界首條超級(jí)電容公交商業(yè)示范線在上海率先啟動(dòng)。上海振華港機(jī)利用超級(jí)電容器作為輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)了綠色，取得良好效果。2008年8月，北京理工大學(xué)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用到北京奧運(yùn)用電動(dòng)客車中。雖然針對(duì)超級(jí)電容器研究成果頗豐，但整體來(lái)看，我國(guó)的研究與應(yīng)用水平明顯落后于世界先進(jìn)水平。

目前超級(jí)電容器正逐漸步入成熟期，市場(chǎng)越來(lái)越大，有越來(lái)越多的公司聚焦到生產(chǎn)超級(jí)電容器上。以下以超級(jí)電容器應(yīng)用的電流等級(jí)不同，介紹超級(jí)電容器的應(yīng)用范圍。

1)應(yīng)用在100μA以下的，主要作為記憶體的后備電源，可以作為CMOS、RAM、IC的時(shí)鐘電源。在醫(yī)療器械、微波爐、手持終端、校準(zhǔn)儀等中得到應(yīng)用。

2)應(yīng)用在500μA以下的，主要作為主供電的后備電源。在數(shù)字調(diào)頻音響系統(tǒng)、可編程消費(fèi)電子產(chǎn)品、洗衣機(jī)等中作為CMOS、RAM、IC的時(shí)鐘電源并在測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)控制模塊等中提供高溫85℃條件下系統(tǒng)時(shí)鐘電源。

3)應(yīng)用在最高50mA的，主要用作電壓補(bǔ)償。在引擎啟動(dòng)時(shí)，主電壓突降，它可以作為汽車音響后備電源，進(jìn)行電壓補(bǔ)償。同樣用在磁帶機(jī)、影碟機(jī)電機(jī)以及計(jì)量表啟動(dòng)時(shí)。

4)應(yīng)用在最高1A的，主要作為小型設(shè)備主電源。在玩具、智能電表水表煤氣表、熱水器、報(bào)警裝置、太陽(yáng)能道釕燈等作為主電源。還在激發(fā)器和點(diǎn)火器中起激勵(lì)作用，在短時(shí)間內(nèi)供給大電流。

5)應(yīng)用在最高50A的，主要提供大電流瞬時(shí)放電。主要用于不間斷電源、GPS、電動(dòng)自行車、風(fēng)能太陽(yáng)能的能量?jī)?chǔ)備等。

6)應(yīng)用在50A以上的，主要提供超大電流放電。主要用于汽車、坦克等內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電啟動(dòng)系統(tǒng)，以解決怠速啟動(dòng)問題、直流屏、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能焊機(jī)、電焊機(jī)、大型通訊設(shè)備、抗電網(wǎng)瞬態(tài)波動(dòng)系統(tǒng)等。

4超級(jí)電容器使用注意事項(xiàng)

1)電容器在使用前，應(yīng)確認(rèn)極性。它不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，且應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用，若超過將會(huì)導(dǎo)致電解液分解、電容器發(fā)熱、容量下降、內(nèi)阻增大、壽命縮短，某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。

2)電容器由于內(nèi)阻較大，放電瞬間存在電壓降。

3)電容器不能置于高溫、高濕的或含有有毒氣體的環(huán)境中，應(yīng)在溫度-30℃～+50℃、相對(duì)濕度小于60%的環(huán)境下儲(chǔ)存，應(yīng)避免溫度驟升驟降。

4)電容器用于雙面電路板，需注意連接處不可經(jīng)過電容器可觸及的地方。電容器串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問題。單純的串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器因過壓而損壞，從而影響其整體性能。

5)將電容器焊接到線路板上時(shí)，勿使殼體與線路板接觸，且在焊接過程中避免使電容器過熱。焊接完成后，不可強(qiáng)行傾斜或扭動(dòng)電容器，而且電容器及線路板需進(jìn)行清洗。

5結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì)的研究與探索，超級(jí)電容器體系日益完善。作為一種儲(chǔ)能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、工作可靠安全、無(wú)須維護(hù)保養(yǎng)、價(jià)格低廉的儲(chǔ)能系統(tǒng)，它有效的解決了能源系統(tǒng)中功率密度與能量密度的矛盾，有逐步取代目前更換頻繁的蓄電池之勢(shì)，目前正在越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>