超级电容器综述

杨盛毅，文方

(贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550003)

摘要：超级电容器是一种介于常规电容器与化学电池二者之间的一种新型储能元件，它具有很高的放电功率、法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命、免维护、经济环保等优点。本文介绍了超级电容器的原理、发展状况及特点。归纳了超级电容器应用研究状况，并指出使用中应注意的事项及解决方法。

0引言

超级电容器(Supercapacitors)是近几十年来，国内外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储备电荷的能力。与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数可达十万次以上，且不用维护；与化学电池相比，具备较高的比功率，且对环境无污染。因此，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优越的性能得到各方的重视，目前发展十分迅速。

1超级电容器的原理及发展状况

1.1超级电容器的原理

根据储存电能机理的不同分为两类：一类是基于高比表面积碳材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容器(Electric double layer capacitor，EDLC)；另一类是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的法拉第准电容(Faraday Pseudo-capacitor)。实际上各种超级电容器的电容同时包含双电层电容和法拉第准电容两个分量，只是所占的比例不同而已。

1.2超级电容器的发展状况

1879年，亥姆霍茨(Helmholtz)发现界面双电层现象，提出了平板电容器的解释模型，但直到1957年Becker获得了双电层电容器的专利，才使得超级电容器的产品化有了新的突破。到目前超级电容器已有50多年的发展历史，其间对于超级电容器的研究主要集中在寻找电极活性物质作为电极的研究上。今后人们将会继续研究与开发新颖的电极材料、选择合适的电解液、优化电容器的组装技术。目前电极材料可以分为三类：第一类是碳材料；第二类是过渡金属氧化物；第三类是导电聚合物材料。

实际上，后两种物质作电极的性能要优于碳材料，但昂贵的贵金属材料以及性能不稳定的导电聚合物掺杂，使得后两类超级电容器的研究多限于实验室，短期内不太可能进行商业化。此外，还有使用不同正负电极材料的非对称型超级电容器(也称混合超级电容器或杂化超级电容器)，其储能能力大大增加。

在超级电容器的产业化上，最早是1980年NEC/Tokin与1987年松下三菱的产品。到20世纪90年代，Econd和ELIT推出了适合于大功率启动动力场合的电化学电容器。如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、Powerstor、Evans，SAFT，Cap-xx，NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃。总的来说，目前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，实现产业化的基本上都是双电层电容器。现将国外在电化学电容器方面的主要研究情况列于表1。

2超级电容器的特点

超级电容器作为一种新的储能元件，具有如下优点：

1)超高电容量(0.1～50000F)。比同体积钽、铝电解电容器电容量大2000～50000倍。

2)漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长。

3)功率密度高，可作为功率辅助器，供给大电流。

4)充放电效率高，具有超长自身寿命和循环寿命，即使几年不用仍可保留原有的性能指标，充放电次数大于10万次。

5)对过充放电有一定的承受能力，短时过压不会产生严重影响，能反复地稳定充放电。

6)温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～+60℃。且免维护，环境友善。

但是，目前超级电容器还有一些需要改进的地方，如能量密度较低，体积能量密度较差，和电解电容器相比，工作电压较低，一般水系电解液的单体工作电压为0V～1.4V，且电解液腐蚀性强；非水系可以高达4.5V，实际使用的一般为3.5V，作为非水系电解液要求高纯度、无水，价格较高，并且非水系要求苛刻的装配环境。

3超级电容器应用研究状况

超级电容器作为大功率物理二次电源，在国民经济各领域用途十分广泛。各发达国家都把超级电容的研究列为国家重点战略研究项目。1996年欧共体制定了超级电容器的发展计划，日本新阳光计划中列出了超级电容器的研制，美国能源部及特种部也制定了发展超级电容器的研究计划。我国从80年代开始研究超级电容器，北京有色金属研究总院、锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学等也陆续开展超级电容器相关研究工作。2005年，中国科学院电工所完成了用于光伏发电系统的300Wh/1kW超级电容器储能系统的研究开发工作。2006年8月，世界首条超级电容公交商业示范线在上海率先启动。上海振华港机利用超级电容器作为轮胎式集装箱龙门起重机储能装置实现了绿色，取得良好效果。2008年8月，北京理工大学具有自主知识产权的纯电动动力系统应用到北京奥运用电动客车中。虽然针对超级电容器研究成果颇丰，但整体来看，我国的研究与应用水平明显落后于世界先进水平。

目前超级电容器正逐渐步入成熟期，市场越来越大，有越来越多的公司聚焦到生产超级电容器上。以下以超级电容器应用的电流等级不同，介绍超级电容器的应用范围。

1)应用在100μA以下的，主要作为记忆体的后备电源，可以作为CMOS、RAM、IC的时钟电源。在医疗器械、微波炉、手持终端、校准仪等中得到应用。

2)应用在500μA以下的，主要作为主供电的后备电源。在数字调频音响系统、可编程消费电子产品、洗衣机等中作为CMOS、RAM、IC的时钟电源并在测量仪器、自动控制模块等中提供高温85℃条件下系统时钟电源。

3)应用在最高50mA的，主要用作电压补偿。在引擎启动时，主电压突降，它可以作为汽车音响后备电源，进行电压补偿。同样用在磁带机、影碟机电机以及计量表启动时。

4)应用在最高1A的，主要作为小型设备主电源。在玩具、智能电表水表煤气表、热水器、报警装置、太阳能道钌灯等作为主电源。还在激发器和点火器中起激励作用，在短时间内供给大电流。

5)应用在最高50A的，主要提供大电流瞬时放电。主要用于不间断电源、GPS、电动自行车、风能太阳能的能量储备等。

6)应用在50A以上的，主要提供超大电流放电。主要用于汽车、坦克等内燃发动机的电启动系统，以解决怠速启动问题、直流屏、电动汽车、储能焊机、电焊机、大型通讯设备、抗电网瞬态波动系统等。

4超级电容器使用注意事项

1)电容器在使用前，应确认极性。它不可应用于高频率充放电的电路中，且应在标称电压下使用，若超过将会导致电解液分解、电容器发热、容量下降、内阻增大、寿命缩短，某些情况下，可导致电容器性能崩溃。

2)电容器由于内阻较大，放电瞬间存在电压降。

3)电容器不能置于高温、高湿的或含有有毒气体的环境中，应在温度-30℃～+50℃、相对湿度小于60%的环境下储存，应避免温度骤升骤降。

4)电容器用于双面电路板，需注意连接处不可经过电容器可触及的地方。电容器串联使用时，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因过压而损坏，从而影响其整体性能。

5)将电容器焊接到线路板上时，勿使壳体与线路板接触，且在焊接过程中避免使电容器过热。焊接完成后，不可强行倾斜或扭动电容器，而且电容器及线路板需进行清洗。

5结束语

经过了半个世纪的研究与探索，超级电容器体系日益完善。作为一种储能巨大、充放电速度快、工作温度范围宽、工作可靠安全、无须维护保养、价格低廉的储能系统，它有效的解决了能源系统中功率密度与能量密度的矛盾，有逐步取代目前更换频繁的蓄电池之势，目前正在越来越广泛的应用到人们日常生活的方方面面。