究竟什么是超級(jí)電容器?它與電容器有何不同?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電容器的功能是存儲(chǔ)電荷并快速傳輸，而電池的功能是存儲(chǔ)電荷并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)傳輸。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)你駕駛?cè)碌碾妱?dòng)汽車(chē)加速時(shí)，你需要一個(gè)電容器，而當(dāng)你在高速公路上巡航時(shí)，你需要一個(gè)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(xiàn)在德國(guó)中期的18個(gè)世紀(jì)，“萊頓瓶”。串聯(lián)起來(lái)，冷凝器形成了一個(gè)“電池”。超級(jí)電容器并不僅僅憑空出現(xiàn)來(lái)解決我們的電池需求：它們已經(jīng)研究、開(kāi)發(fā)和使用了30多年。
超級(jí)電容器又名電化學(xué)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(jì)七、八十年代發(fā)展起來(lái)的通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。傳統(tǒng)電容器由兩個(gè)導(dǎo)電電極組成，由電介質(zhì)(如塑料、紙、玻璃或陶瓷)隔開(kāi)。它們以靜電方式儲(chǔ)存能量。超級(jí)電容器(也稱(chēng)為超級(jí)電容器)出現(xiàn)在1970年代后期，顧名思義，在實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)的同時(shí)更有效。他們要么在電極和電解質(zhì)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(yīng)、嵌入和電吸附(所謂的贗電容器)。非對(duì)稱(chēng)或混合電容器在非對(duì)稱(chēng)電極上結(jié)合了靜電和電化學(xué)電容的原理。電化學(xué)超級(jí)電容器在技術(shù)上最接近可充電電池。那么今天小編為大家介紹一下超級(jí)電容器的工作原理與主要應(yīng)用。
1.類(lèi)型
超級(jí)電容器主要分為三類(lèi)：
1.1雙層電容器
雙層電容器由兩個(gè)電極、隔膜和電解質(zhì)組成。電解質(zhì)是溶解在水中的正離子和負(fù)離子的混合物。兩個(gè)電極由隔板隔開(kāi)。左側(cè)電極面同樣與左側(cè)電解液接觸;右側(cè)電極表面與右側(cè)液體電解質(zhì)接觸。液體電解質(zhì)和電極表面相遇的點(diǎn)將形成液體電解質(zhì)和不溶性固體電極表面的共同邊界。
在電極表面和電解質(zhì)溶液相遇的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相反的電荷。這些相反的電荷被表示為兩個(gè)電荷層或雙電荷層。超級(jí)電容器的每個(gè)電極產(chǎn)生兩個(gè)電荷層。在具有一種極性(正或負(fù))的電極表面上形成一個(gè)電荷層，而在電極表面附近的電解質(zhì)溶液中形成另一個(gè)具有相反極性(負(fù)或正)的電荷層。這兩個(gè)電荷層被溶劑或水分子的單層(一個(gè)分子厚的層)隔開(kāi)。
溶劑分子緊密附著在電極表面，將帶相反電荷的離子隔開(kāi)。分離相反電荷的溶劑分子充當(dāng)電介質(zhì)(介電分子)。溶劑分子不允許電荷通過(guò)它們。因此，在電極和電解質(zhì)之間沒(méi)有電荷流動(dòng)。
當(dāng)電壓以這樣的方式施加到電容器上時(shí)，電池的正極連接到左側(cè)電極，電池的負(fù)極連接到右側(cè)電極，雙電層電容器開(kāi)始充電。由于該電源電壓，左側(cè)電極表面上會(huì)產(chǎn)生大量正電荷，而右側(cè)電極表面上會(huì)產(chǎn)生大量負(fù)電荷。這些電荷充當(dāng)?shù)谝粚与姾伞ｋ娊赓|(zhì)中的負(fù)離子受到來(lái)自帶正電的電極的強(qiáng)大吸引力。結(jié)果，負(fù)離子向帶正電的電極移動(dòng)。以類(lèi)似的方式，電解質(zhì)中的正離子受到來(lái)自帶負(fù)電的電極的強(qiáng)大吸引力。結(jié)果，正離子向帶負(fù)電的電極移動(dòng)。
當(dāng)這些負(fù)離子或正離子靠近電極時(shí)，它們會(huì)受到溶劑分子的強(qiáng)烈反對(duì)。因此，沒(méi)有電荷從電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到電極或電極到電解質(zhì)。然而，這些相反的電荷會(huì)相互施加靜電力。因此，在電極和電解質(zhì)的共同邊界處會(huì)產(chǎn)生大量電荷。 雙層電容器或超級(jí)電容器最常用的電極材料是活性炭、碳?xì)饽z、碳纖維布和碳納米管。
1.2偽電容器
偽電容器通過(guò)電極和電解質(zhì)之間的電子電荷轉(zhuǎn)移(電子從電解質(zhì)到陰極或從陰極到電解質(zhì))存儲(chǔ)電能。這可以通過(guò)氧化還原(還原氧化反應(yīng))來(lái)完成。
還原：當(dāng)原子獲得一個(gè)電子并變得更負(fù)時(shí)會(huì)發(fā)生還原。
氧化：當(dāng)原子失去電子并變得更正時(shí)會(huì)發(fā)生氧化。
還原氧化：當(dāng)一個(gè)原子獲得(或失去)一個(gè)電子而另一個(gè)原子失去(或獲得)一個(gè)電子時(shí)，就會(huì)發(fā)生還原氧化。在贗電容器中，氧化還原反應(yīng)發(fā)生在電極和電解質(zhì)溶液之間。
在贗電容器中，電荷存儲(chǔ)(電容)來(lái)自電解質(zhì)和電極之間的電荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)向偽電容器施加電壓時(shí)，電解質(zhì)中帶電的原子或離子向帶相反電荷的電極移動(dòng)。在電極表面與相鄰電解質(zhì)之間形成兩個(gè)電層或雙電層。這兩個(gè)電層被電解質(zhì)分子隔開(kāi)。雙電層內(nèi)電解質(zhì)中的帶電原子充當(dāng)電子供體并將電子轉(zhuǎn)移到電極原子。結(jié)果，電極中的原子帶電。因此，電荷存儲(chǔ)在雙電層。偽電容器使用導(dǎo)電聚合物或金屬氧化物作為電極。存儲(chǔ)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(cè)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(shù)開(kāi)發(fā)的。在混合電容器中，實(shí)現(xiàn)了雙層電容和偽電容。
2.優(yōu)勢(shì)
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(zhǎng)的服務(wù)和更長(zhǎng)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(wú)限的循環(huán)壽命，可以循環(huán)數(shù)百萬(wàn)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(xù)成本。
超級(jí)電容器符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。因此它們是環(huán)保的。
與傳統(tǒng)電容器(高電容)相比，可存儲(chǔ)大量電荷。
即使過(guò)度充電，超級(jí)電容器也不會(huì)像電池一樣爆炸。
3.工作原理
超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器，原理示意圖如圖2。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)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(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。
原理示意圖
當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)(通常為3V以下)，如電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。
由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。
4.主要應(yīng)用
4.1一般應(yīng)用
消費(fèi)電子產(chǎn)品：在負(fù)載波動(dòng)的應(yīng)用中，例如膝上型計(jì)算機(jī)、PDA、GPS、便攜式媒體播放器、手持設(shè)備、和光伏系統(tǒng)，超級(jí)電容器可以穩(wěn)定電源。超級(jí)電容器用于輸送功率照相閃光燈在數(shù)碼相機(jī)和用于LED手電筒，可以在時(shí)間短得多段充電。
工具：帶有用于儲(chǔ)能的超級(jí)電容器的無(wú)繩電動(dòng)螺絲刀的運(yùn)行時(shí)間約為同類(lèi)電池型號(hào)的一半，但可以在90秒內(nèi)充滿(mǎn)電。閑置三個(gè)月后，它還可以保留85%的電量。
電網(wǎng)電源緩沖器：許多非線(xiàn)性負(fù)載，例如EV充電器、HEV、空調(diào)系統(tǒng)和高級(jí)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，都會(huì)導(dǎo)致電流波動(dòng)和諧波。這些電流差異會(huì)造成不必要的電壓波動(dòng)，從而導(dǎo)致電網(wǎng)上的功率振蕩。功率振蕩不僅會(huì)降低電網(wǎng)的效率，還會(huì)導(dǎo)致公共耦合總線(xiàn)中的電壓下降，以及整個(gè)系統(tǒng)的相當(dāng)大的頻率波動(dòng)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，超級(jí)電容器可以作為負(fù)載和電網(wǎng)之間的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，以充當(dāng)電網(wǎng)和從充電站汲取的高脈沖功率之間的緩沖器。
低功耗設(shè)備電源緩沖器：超級(jí)電容器為RAM、SRAM、微控制器和PC卡等低功耗設(shè)備提供備用或緊急關(guān)閉電源。它們是低能耗應(yīng)用的唯一電源，例如自動(dòng)抄表(AMR)設(shè)備或工業(yè)電子設(shè)備中的事件通知。超級(jí)電容器緩沖往返可充電電池的電源，減輕短時(shí)間斷電和高電流峰值的影響。電池僅在長(zhǎng)時(shí)間中斷期間啟動(dòng)，例如，如果主電源或燃料電池出現(xiàn)故障，這會(huì)延長(zhǎng)電池壽命。不間斷電源(UPS)可以由超級(jí)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(gè)周期的成本，節(jié)省了更換和維護(hù)成本，使電池能夠縮小尺寸并延長(zhǎng)電池壽命。
穩(wěn)壓器：超級(jí)電容器可以通過(guò)充當(dāng)阻尼器來(lái)穩(wěn)定電力線(xiàn)的電壓波動(dòng)。風(fēng)力和光伏系統(tǒng)表現(xiàn)出由超級(jí)電容器可以在幾毫秒內(nèi)緩沖的陣風(fēng)或云引起的波動(dòng)供應(yīng)。
微電網(wǎng)：超級(jí)電容器可用于微電網(wǎng)存儲(chǔ)，以在需求高且產(chǎn)量暫時(shí)下降時(shí)瞬間注入電力，并在反向條件下存儲(chǔ)能量。它們?cè)谶@種情況下很有用，因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)越來(lái)越多地產(chǎn)生直流電，并且電容器可用于直流和交流應(yīng)用。超級(jí)電容器與化學(xué)電池配合使用效果最佳。
能量收集：超級(jí)電容器是適用于能量收集系統(tǒng)的臨時(shí)儲(chǔ)能裝置。在能量收集系統(tǒng)中，能量從環(huán)境或可再生能源(例如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、光或電磁場(chǎng))收集，并在能量存儲(chǔ)設(shè)備中轉(zhuǎn)換為電能。例如，已經(jīng)證明從RF(射頻)場(chǎng)(使用RF天線(xiàn)作為適當(dāng)?shù)恼髌麟娐?收集的能量可以存儲(chǔ)到印刷超級(jí)電容器中。然后使用收集到的能量為專(zhuān)用集成電路(ASIC)電路供電10多個(gè)小時(shí)。
醫(yī)療：超級(jí)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(yùn)輸
航空：2005年，航空航天系統(tǒng)和控制公司迪爾LuftfahrtElektronik公司有限公司選擇了超級(jí)電容器電源應(yīng)急驅(qū)動(dòng)器的門(mén)和逃生滑梯中使用飛機(jī)，包括空客380。
軍事：超級(jí)電容器的低內(nèi)阻支持需要短期高電流的應(yīng)用。最早的用途是用于坦克和潛艇中的大型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)(冷發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，尤其是柴油機(jī))。超級(jí)電容器緩沖電池，處理短電流峰值，減少循環(huán)并延長(zhǎng)電池壽命。需要高比功率的其他軍事應(yīng)用包括相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)、激光電源、軍用無(wú)線(xiàn)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(dǎo)導(dǎo)彈和射彈。
汽車(chē)：豐田的YarisHybrid-R概念車(chē)使用超級(jí)電容器提供爆發(fā)式動(dòng)力。PSAPeugeotCitroën已開(kāi)始使用超級(jí)電容器作為其啟停節(jié)油系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更快的初始加速。馬自達(dá)的i-ELOOP系統(tǒng)在減速期間將能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中，并在發(fā)動(dòng)機(jī)被停止啟動(dòng)系統(tǒng)停止時(shí)使用它為車(chē)載電氣系統(tǒng)供電。
巴士/電車(chē)：美國(guó)超級(jí)電容器制造商MaxwellTechnologies聲稱(chēng)，超過(guò)20,000輛混合動(dòng)力公交車(chē)使用這些設(shè)備來(lái)提高加速度，尤其是在中國(guó)。廣州，2014年，中國(guó)開(kāi)始使用由超級(jí)電容器供電的有軌電車(chē)，通過(guò)位于軌道之間的設(shè)備在30秒內(nèi)充電，儲(chǔ)存電力以運(yùn)行電車(chē)長(zhǎng)達(dá)4公里——足以到達(dá)下一站，在那里自行車(chē)可以被重復(fù)。CAF還在其Urbos3有軌電車(chē)上以ACR系統(tǒng)的形式提供超級(jí)電容器。
鐵路：超級(jí)電容器可用于補(bǔ)充配備柴電傳動(dòng)的柴油鐵路機(jī)車(chē)的啟動(dòng)系統(tǒng)中的電池。電容器捕獲完全停止的制動(dòng)能量，并提供用于啟動(dòng)柴油機(jī)和列車(chē)加速的峰值電流，并確保線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。根據(jù)駕駛模式的不同，通過(guò)回收制動(dòng)能量可以節(jié)省高達(dá)30%的能源。低維護(hù)和環(huán)保材料鼓勵(lì)選擇超級(jí)電容器。
輕軌和有軌電車(chē)：超級(jí)電容器不僅可以減少能源，還可以取代歷史城區(qū)的架空線(xiàn)路，從而保護(hù)城市的建筑遺產(chǎn)。這種方法可能允許許多新的輕軌城市線(xiàn)路取代成本太高而無(wú)法完全布線(xiàn)的架空線(xiàn)。
4.3其它應(yīng)用
手電筒應(yīng)用
太陽(yáng)能應(yīng)用
超級(jí)電容器用于筆記本電腦、便攜式媒體播放器、手持設(shè)備和光伏系統(tǒng)等電子設(shè)備中以穩(wěn)定電源
超級(jí)電容器用作能量收集系統(tǒng)的臨時(shí)儲(chǔ)能裝置
超級(jí)電容器用于除顫器(一種通過(guò)向胸壁提供電流來(lái)控制不規(guī)則心跳的儀器)
超級(jí)電容器
5.關(guān)于超級(jí)電容器的常見(jiàn)問(wèn)題
5.1超級(jí)電容器能代替電池嗎?
超級(jí)電容器因其儲(chǔ)存和釋放能量的能力而優(yōu)于傳統(tǒng)電容器;然而，它們還無(wú)法取代傳統(tǒng)鋰離子電池的功能。
5.2超級(jí)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(huán)，而超級(jí)電容器可以達(dá)到一百萬(wàn)次循環(huán)。在車(chē)輛服務(wù)中，電池的預(yù)期壽命為5至10年，而超級(jí)電容器的使用壽命為10至15年。
5.3超級(jí)電容器比電池更安全嗎?
超級(jí)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(jí)電容器充電可能對(duì)超級(jí)電容器有害。但是，當(dāng)為多個(gè)電容器充電時(shí)，它會(huì)變成一項(xiàng)復(fù)雜的工作。
5.4超級(jí)電容器是由什么構(gòu)成的?
超級(jí)電容器由兩個(gè)金屬箔(集電器)構(gòu)成，每個(gè)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(gè)非常大的表面積。
5.5給超級(jí)電容器充電的最快方法是什么?
一種自動(dòng)托盤(pán)穿梭是使用超級(jí)電容器作為其主要的電功率源的理想應(yīng)用。超級(jí)電容器在轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)上時(shí)可在幾秒鐘內(nèi)快速充電。
結(jié)語(yǔ)
以上就是超級(jí)電容器工作原理與應(yīng)用的介紹了。截至2013年，市售的鋰離子超級(jí)電容器提供了迄今為止最高的重量比能量，達(dá)到15Wh/kg(54kJ/kg)。研究重點(diǎn)是提高比能、降低內(nèi)阻、擴(kuò)大溫度范圍、增加壽命和降低成本。項(xiàng)目包括定制孔徑電極、贗電容涂層或摻雜材料和改進(jìn)的電解質(zhì)。
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