超级电容的原理及应用研究？

[摘要]超级电容器作为一种新型储能元件填补了传统的静电电容器和化学电源之间的空白。本文介绍了超级电容的原理、特性、优缺点，分析了超级电容在复合电动汽车中的工作原理，概述了超级电容在国内外各领域的应用研究。

随着科学技术的进步，现在的人们对生态环境保护和绿色能源的应用越来越重视，超级电容作为一种新型的储能元件引起了人们的广泛重视与关注。超级电容器(Supercapacitor)是20世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，它的出现填补了传统的静电电容器和化学电源之间的空白。

海口经济学院，孙雷

1.超级电容的原理及分类

超级电容是一种具有超级储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源。超级电容如果按储能机理主要分为三类[1]：①由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容；②采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容；③由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反应的电容。双电层超级电容是靠极化电解液来储存电能的一种新型储能装置，结构如图1所示：

由于双电层电容的充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过程快，因此比较适合在电动车中应用。双电层超级电容是悬在电解质中的两个非活性多孔板，电压加载到两个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。一个超级电容单元的电容量高达几法至数万法[2]由于这种结构采用特殊的工艺，使其等效电阻很低，电容量很大、内阻较小，使得超级电容具有很高的尖峰电流，因此超级电容具有很高的比功率，它的功率密度是电池的50～100倍，可达到10×103W/kg左右，此特点让超级电容非常适合应用在短时大功率的场合。

2.超级电容的特性

超级电容器使用过程中是没有任何的化学反应，也没有高速旋转等机械运动；对于环境没有污染，也没有任何的噪声；它的结构简单、体积小，是非常理想的储能设备。超级电容产品具有如下技术特性[3]：

(1)充电速度快。充满其额定容量的95%以上仅需10秒～10分钟；

(2)循环寿命长。深度充放电循环可达1～50万次，例如，北京合众汇能公司生产的HCC250F/2.7V的超级电容器和北京集星科技公司生产的系列电容的循环寿命均在50万次以上；

(3)能量转换效率高。大电流能量循环效率>90%；

(4)功率密度高。可达300W/kg—50000W/kg，为蓄电池的5～10倍；

(5)原材料生产、使用、存储及拆解过程均无污染，是理想的绿色环保电源；安全系数高，长期使用免维护；

(6)高充放电效率。由于内阻很小，所以充放电损耗也很小，具有很高的充放电效率，可达90%以上。

(7)温度范围宽。达-40～+70℃。超级电容器电极材料的反应速率受温度影响不大；

(8)检测控制方便。剩余电量可通过公式E=CV2/2直接算出，只需要检测端电压就可以确定所储存的能量，荷电状态(SOC)的计算简单准确，因此易于能量管理与控制。