2022年超级电容器简介 .pdf

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1、1 超级电容器 - 简介超级电容器由于石油 资源日趋短缺， 并且 燃烧 石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、 中城市） ，人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。已经进行混合动力、燃料电池 、化学电池产品及应用的研究 与开发，取得了一定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度 特性差、化学电池污染环境、系统 复杂、 造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。而超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引 电源 和启动能源， 并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。正因为如此， 世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研

2、究与开发。其中美国 、日本 和俄罗斯 等国家不仅在研发生产上走在前面，而且还建立了专门的国家 管理机构 （如：美国 的USABC 、日本的SUN 、俄罗斯的REVA等），制定国家发展计划，由国家投入巨资和人力，积极推进。 就超级电容器技术水平而言，目前 俄罗斯 走在世界前面， 其产品已经进行商业化 生产和应用，并被第17 届国际电动车年会（EVS 17）评为最先进产品，日本、德国 、法国 、英国 、澳大利亚 等国家也在急起直追，目前各国推广应用超级电容器的领域已相当广泛。在我国推广使用超级电容器，能够减少石油消耗 ，减轻对石油进口的依赖，有利于国家 石油 安全；有效地解决 城市尾气 污染和铅酸

3、电池污染问题；有利于解决战车的低温启动问题。目前，国内主要有10 余家企业在进行超级电容器的研发超级电容器是建立在德国 物理学家 亥姆霍兹 提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差 。那么， 如果在电解液中同时插入两个电极 ，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时 电解液 中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层， 它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容

4、器， 但是， 由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离 更小得多， 因而具有比普通电容器更大的容量。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 2 双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路 而不致损坏器件， 这一特点与铝电解电容器的过 电压击穿 不同。 同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达 106 次以上

5、， 因此双电层 电容 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元器件。超级电容器 - 原理超级电容器超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器 相比，这种超级电容器能量密度 和功率密度 都非常高。 同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电 速度 快、效率高、对环境无 污染 、循环 寿命长、使用 温度 范围宽、安全性高等特点。其基本原理为： 当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性 离子 ，使这些离子附于电极 表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于

6、两电荷层的距离非常小（一般0.5nm 以下） ，再加之采用特殊电极结构，使电极 表面积 成万倍的增加，从而产生极大的电容量 。超级电容器 - 分类超级电容器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 3 超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。按原理分为 双电层型超级电容器和 赝电容型超级电容器：双电层型超级电容器，包括1. 活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。2. 碳

7、纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。3. 碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。4. 碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。以上电极材料可以制成：1. 平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd 公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到 300V 以上的工作电压。2. 绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到， 这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率

8、密度。赝电容型超级电容器：超级电容器包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2 、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY 、PTH 、PAni、PAS 、PFPT等经 P型或 N型或 P/N 型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx 型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型：水性电解质，包括以下几类1. 酸性电解质，多采用36的 H2SO4水溶液作为电解质。2. 碱性电解质，通常采用KOH 、NaOH等强碱作为电

9、解质，水作为溶剂。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 4 3. 中性电解质， 通常采用 KCl、NaCl 等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。有机电解质通常采用 LiClO4 为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如 PC 、ACN 、GBL 、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。另外还可以分为：1. 液体电解质超级电容器，多数超级电容器电

10、解质均为液态。2. 固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究。超级电容器 - 工艺超级电容器超级电容器的工艺流程为：配料混浆制电极裁片组装注液活化检测包装。超级电容器在 结构 上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极 材料。早期的超级电容器的电极采用碳，碳电极材料的表面积很大，电容的大小取决于表面积和电极的距离 ，这种碳电极的大 表面积 再加上很小的电极距离，使超级电容器的容值可以非常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般情况下容值范围可达1-5000F 。超级电容器通常包含双电极、电解质 、集流体、 隔离

11、物 四个部件。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的电容量的。在超级电容器中， 采用 活性炭 材料制作成多孔电极，同时在相对的两个多孔炭电极 之间充填电解质溶液，当在两端施加 电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子 ，而电解质 溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成双集电层。超级电容器 - 优点名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 5 超级电容器如果使用不

12、当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大， 因而不可以用于交流电路；1、超级电容器不同于电池 ，在某些应用 领域 ，它可能优于 电池 。有时将两者结合起来，将电容器的 功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。2、超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。3、超级电容器的荷电状态（SOC ）与电压构成简单的函数，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。4、超级电容器与其体积 相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，电池与其体积 相当的超级电容器相比可以存储更多的能量

13、 。在一些 功率 决定能量 存储器 件尺寸 的应用中， 超级电容器是一种更好的途径。5、超级电容器可以反复传输能量脉冲 而无任何不利影响，相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。6、超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。7、超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环超级电容器 - 选择超级电容器超级电容器的两个主要应用：高功率 脉冲 应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用的特征：瞬时流向负载大电流；瞬时功率保持应用的特征：要求持续向负载提供功率，持续时间 一般为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

14、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - 6 几秒或几分钟。 瞬时功率保持的一个典型应用：断电时 磁盘 驱动头的复位。 不同的应用对超电容的参数要求也是不同的。高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R) ，而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量 (C) 。不管是功率保持还是功率脉冲应用都可以用上公式计算当电路的工作电压超过超电容的工作电压时， 可以用相同的电容器串联 一般地，串联应该保持平衡以确保电压平均分配在脉冲 功率 应用中由超电容内阻引起的压降通常是次要因素。电容器超低的内阻提供一种克服传统 电池系统阻抗大的全新的解决方

15、案。超级电容器 - 应用领域超级电容器超级电容器的应用范围极为广泛，小到存储器的备用电源、电动玩具 的电源， 大到 航天导弹发射 的大功率启动系统、 电动汽车 的能量功率系统等一切与能量功率相关的仪器设备系统均有超级电容器的身影。超级电容器在 军用 、 民用 领域均有广泛的应用前景。小电流放电的双电层电容器可用作微机等的备用电源或小型装置如玩具 、打印机 、报警器 、信号灯 等的一次电源；安培级大电流放电双电层电容器可单独或与蓄电池一起构成电源系统，既可作为起动电源也可作为小型负载的驱动电源， 如用于 坦克 、飞机 、火箭 、导弹 等作为起动电源； 人造卫星 、宇宙飞船空间站、潜艇 水下推进，

16、 尤其是在电动车辆方面的应用越来越多；利用其良好充放电性能可作为快速充电简易电源；利用其输入小电流输出大电流可作为充放电周期 循环的电源；因其容量大，还可用于微分和积分电路、简易计时电路、 超低频信号处理电路等。随着电极材料的改进和电解质的合理选用，双电层电容器的功率密度和能量密度逐步向理论值靠近，其应用前景更为广阔。超级电容器的研究目标之一是单独用双电层电容器或将其与蓄电池联用，作为电动汽车和混合动力汽车的动力电源。上千法拉级的双电层电容器用作电动汽车的短时驱动电源，可以在汽车 启动和爬坡时快速提供大电流从而获得大功率以提供强大的动力；在正常行驶时由蓄电池快速充电； 在刹车时快速存储发电机产

17、生的瞬时大电流，回收能量。 这可以减少电动汽车对蓄电池大电流放电的限制，极大的延长蓄电池 的循环使用寿命，提高电动汽车的实用性。日本 富士重工推出的电动汽车已经使用日立机电制作的锂离子蓄电池和松下电器制作的储能电容器的联用装置；日本本田公司 更是将双电层电容器与汽油机相结合，研制出一种综合名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 7 电动机助力器系统，使内燃机主要工作在最佳工况点附近，大大降低内燃机的排放，并可回收制动能

18、量， 通过装在 小客车 上极大的降低汽油机燃油消耗量成为低排放的节能汽车；日本丰田公司研制的混合电动汽车，其排放与传统汽油机车相比CO2下降 50， HC 、CO和 NOx排放降低 90，燃 油节省一半。电动助力车市场正在大力扩展，其电源与 电动汽车 相似，蓄电池由于其充放电电流要求苛刻，能量难以进行瞬时回收，同时其功率性能不佳也直接影响其应用，而超级电容器非常容易满足这些要求， 采用超级电容器在其起动、加速与爬坡时对系统进行能源补充，并在刹车时完全回收能量， 提高系统性能。 在风力发电或太阳能发电系统中，由于风力与太阳能的不稳定性，会引起蓄电池反复频繁充电，结果大大缩短电池寿命，利用双电层电

19、容器吸收或补充电能的波动， 可以轻易解决这一问题。此外，在有瞬间强负载系统中，利用双电层电容器可以起到稳定系统电压，减少系统电源容量配制的作用。超级电容器在有些场合可以替代电池工作，同时，可以避免由于瞬间负载变化而产生的误操作。在便携式仪器仪超级电容器表中 驱动微电机 、继电器 、电磁阀 等，在一些带有机械动作功能的电话中，由于电话网的电流较小， 不可能实现动作功能，因此要有一个电源对这一动作进行支持，电池也是一种选择，由于存在更换及维修的问题，超级电容器显示出优越性。超级电容器还可用于对照相机闪光灯进行供电，可以使闪光灯达到连续使用的性能，从而提高照相机连续拍摄的能力；另外， 德国 Epco

20、s 公司还用该器件对相机 快门进行控制。 机动无线通讯设备 往往采用脉冲的方式保持联络，由于双电层电容器的瞬时充放电能力强，可以提供的 功率 大，在这一领域的应用也非常广阔。大容量超级电容器的另一个重要应用在电力系统上，运用超级电容器进行重要系统的瞬态稳压稳流，特别是在大功率系统上，几乎是不可替代的器件。在这方面，据华北电力大学电能质量所的调查， 在众多大型石化、电子、纺织等企业，各企业每年因电力波动的损失可能高达上千万； 另外， 芯片 企业在选址时考虑电力的波动也是一个非常重要的环节，而超级电容器系统则可以完全解决这个问题。另外， 随着电子与能源工业的发展，超级电容器在短时UPS系统、太阳能

21、电源系统、汽车防盗系统等免维护系统上具有不可替代的作用，在一些电磁操作机构电源、汽车音响系统等领域均具有非常广泛的应用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 8 1、税控机 、税控 加油机 、真空开关、 智能表 、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑 、电子门锁 、程控交换机、无绳电话等的时钟芯片 、静态随机 存贮器 、数据传输 系统等微小电流供电的后备电源。2、智能表（智能电表、智能水表 、智能 煤气表 、智

22、能热量表）作电磁阀的启动电源3、太阳能 警示灯，航标灯等太阳能产品中代替充电电池。4、手摇发电 手电筒 等小型充电产品中代替充电电池。5、电动玩具 电动机 、语音 IC、LED发光器等小功率电器 的驱动电源。超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置, 它具有功率 密度 大、 容量大、使用 寿命 长、免维护、经济环保等优点。超级电容器 - 使用注意事项超级电容器1、超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。2、超级电容器应在标称电压 下使用：当电容器 电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量 下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能

23、崩溃。3、超级电容器不可应用于高频率 充放电的 电路 中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。4、超级电容器的寿命：外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。5、当超级电容器被用做后备电源时的电压 降：由于超级 电容器 具有内阻较大的特点，在放电的瞬间存在电压降，V=IR。6、使用中 环境 气体：超级电容器不可处于相对湿度 大于 85% 或含有 有毒气体 的场所， 这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀，导致断路。7、超级电容器的存放：超级电容器不能置于高温、高湿的环境中，应在温度 -30+50、相对湿度小于6

24、0% 的环境 下储存，避免温度骤升骤降，因为这样会导致产品 损坏。8、超级电容器在双面线路板上的使用：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 9 当超级电容器用于双面电路板 上，需要注意连接处不可经过电容器可触及的地方，由于超级电容器的安装方式，会导致短路现象。9、当把电容器焊接在线路板上时，不可将电容器壳体接触到线路板上，不然焊接物会渗入至电容器穿线孔内，对电容器性能产生影响。10、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭

25、动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。11、在焊接过程中避免使电容器过热：若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的使用寿命，例如：如果使用 厚度 为 1.6mm的印刷线路板，焊接过程应为260，时间不超过5s。12、焊接后的清洗：在电容器经过焊接后， 线路板 及电容器 需要经过清洗， 因为某些 杂质 可能会导致电容器短路。13、将电容器串联 使用时：当超级电容器进行串联 使用时， 存在单体间的电压均衡问题，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响，故在电容器进行串联使用时，需得到厂家的技术支持。14、其他：在使用超级电容器的过程中出现的其

26、他应用上的问题 ， 请向生产厂家咨询或参照超级电容器使用说明的相关技术资料执行。超级电容器 - 前景分析超级电容器从结构上看，超级电容器主要由电极 、电解质、 隔膜 、端板 、引线 和封装 材料 组成，其中电极、电解质 和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响，采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。2007 年 1 月 16 日， 美国 得克萨斯州一家研制电动汽车 储能装置，名为EEStor 的公司打破沉默， 对外宣告了他们“里程碑”式的成果：他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收，其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化，纯度 达到了 99.999

27、4%。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 10 这一技术一旦进入成熟的工业生产，他们所研制的新型超级电容器动力系统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池。按照2006 年 4 月发表的专利，EEStor 这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上说， 它并不是电池， 而是一种超级电容器， 它在 5 分钟内充的电能可以让一个电动车走500 英里， 电费只有9 美元。 而烧 汽油的内燃机车

28、走相同里程则要花费60 美元 。与传统的 电化学电池 相比，超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受无数次放电和充电，超级电容器没有“记忆”。但是，一般的超级电容器也有其弱点，就是能量存储率有限，市场上的高端超级电容器每0.4536 千克的存储能量只有锂电池的1/25 。而 EEStor 开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。EEStor 公司负责人声称，该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28 千瓦时，相比之下，每公斤 锂电池 是 0.12 千瓦时，铅酸电池只有0.032 千瓦时，这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能。好的铅酸

29、电池能充电500700 次，而根据 EEStor 的声明， 新的超级电容器可反复充电100 万次以上， 也不会出现 材料 降解问题。而且， 由于它不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险，没有安全隐患。这一 发明 的意义相当重大， 该突破不仅从根本上改变了电动车 在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、 太阳能等间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们能源安全的需求， 减少对 石油 的依赖。显然，该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor公司负责人暗示，他们的技术不仅适用于小型旅客电动车，还可能取代220500 瓦的大型 汽车。1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 11 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -