楊盛毅，文方

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550003)

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

0引言

超級電容器(Supercapacitors)是近幾十年來，國內外發(fā)展起來的一種介于常規(guī)電容器與化學電池二者之間的新型儲能元件。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學電池儲備電荷的能力。與傳統(tǒng)電容相比，具備達到法拉級別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可達十萬次以上，且不用維護；與化學電池相比，具備較高的比功率，且對環(huán)境無污染。因此，超級電容器是一種高效、實用、環(huán)保的能量存儲裝置，它優(yōu)越的性能得到各方的重視，目前發(fā)展十分迅速。

1超級電容器的原理及發(fā)展狀況

1.1超級電容器的原理

根據(jù)儲存電能機理的不同分為兩類：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二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產(chǎn)生與電極充電電位有關的法拉第準電容(Faraday Pseudo-capacitor)。實際上各種超級電容器的電容同時包含雙電層電容和法拉第準電容兩個分量，只是所占的比例不同而已。

1.2超級電容器的發(fā)展狀況

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，才使得超級電容器的產(chǎn)品化有了新的突破。到目前超級電容器已有50多年的發(fā)展歷史，其間對于超級電容器的研究主要集中在尋找電極活性物質作為電極的研究上。今后人們將會繼續(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。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；第三類是導電聚合物材料。

實際上，后兩種物質作電極的性能要優(yōu)于碳材料，但昂貴的貴金屬材料以及性能不穩(wěn)定的導電聚合物摻雜，使得后兩類超級電容器的研究多限于實驗室，短期內不太可能進行商業(yè)化。此外，還有使用不同正負電極材料的非對稱型超級電容器(也稱混合超級電容器或雜化超級電容器)，其儲能能力大大增加。

在超級電容器的產(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90年代，Econd和ELIT推出了適合于大功率啟動動力場合的電化學電容器。如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、Powerstor、Evans，SAFT，Cap-xx，NESS等公司在超級電容器方面的研究均非?；钴S?？偟膩碚f，目前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基本上都是雙電層電容器?，F(xiàn)將國外在電化學電容器方面的主要研究情況列于表1。

2超級電容器的特點

超級電容器作為一種新的儲能元件，具有如下優(yōu)點：

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，電壓保持時間長。

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，充放電次數(shù)大于10萬次。

5)對過充放電有一定的承受能力，短時過壓不會產(chǎn)生嚴重影響，能反復地穩(wěn)定充放電。

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

但是，目前超級電容器還有一些需要改進的地方，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；非水系可以高達4.5V，實際使用的一般為3.5V，作為非水系電解液要求高純度、無水，價格較高，并且非水系要求苛刻的裝配環(huán)境。

3超級電容器應用研究狀況

超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經(jīng)濟各領域用途十分廣泛。各發(fā)達國家都把超級電容的研究列為國家重點戰(zhàn)略研究項目。1996年歐共體制定了超級電容器的發(fā)展計劃，日本新陽光計劃中列出了超級電容器的研制，美國能源部及特種部也制定了發(fā)展超級電容器的研究計劃。我國從80年代開始研究超級電容器，北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責任公司、北京科技大學、北京化工大學、北京理工大學等也陸續(xù)開展超級電容器相關研究工作。2005年，中國科學院電工所完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300Wh/1kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。2006年8月，世界首條超級電容公交商業(yè)示范線在上海率先啟動。上海振華港機利用超級電容器作為輪胎式集裝箱龍門起重機儲能裝置實現(xiàn)了綠色，取得良好效果。2008年8月，北京理工大學具有自主知識產(chǎn)權的純電動動力系統(tǒng)應用到北京奧運用電動客車中。雖然針對超級電容器研究成果頗豐，但整體來看，我國的研究與應用水平明顯落后于世界先進水平。

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

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

2)應用在500μA以下的，主要作為主供電的后備電源。在數(shù)字調頻音響系統(tǒng)、可編程消費電子產(chǎn)品、洗衣機等中作為CMOS、RAM、IC的時鐘電源并在測量儀器、自動控制模塊等中提供高溫85℃條件下系統(tǒng)時鐘電源。

3)應用在最高50mA的，主要用作電壓補償。在引擎啟動時，主電壓突降，它可以作為汽車音響后備電源，進行電壓補償。同樣用在磁帶機、影碟機電機以及計量表啟動時。

4)應用在最高1A的，主要作為小型設備主電源。在玩具、智能電表水表煤氣表、熱水器、報警裝置、太陽能道釕燈等作為主電源。還在激發(fā)器和點火器中起激勵作用，在短時間內供給大電流。

5)應用在最高50A的，主要提供大電流瞬時放電。主要用于不間斷電源、GPS、電動自行車、風能太陽能的能量儲備等。

6)應用在50A以上的，主要提供超大電流放電。主要用于汽車、坦克等內燃發(fā)動機的電啟動系統(tǒng)，以解決怠速啟動問題、直流屏、電動汽車、儲能焊機、電焊機、大型通訊設備、抗電網(wǎng)瞬態(tài)波動系統(tǒng)等。

4超級電容器使用注意事項

1)電容器在使用前，應確認極性。它不可應用于高頻率充放電的電路中，且應在標稱電壓下使用，若超過將會導致電解液分解、電容器發(fā)熱、容量下降、內阻增大、壽命縮短，某些情況下，可導致電容器性能崩潰。

2)電容器由于內阻較大，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，應在溫度-30℃～+50℃、相對濕度小于60%的環(huán)境下儲存，應避免溫度驟升驟降。

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，存在單體間的電壓均衡問題。單純的串聯(lián)會導致某個或幾個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，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，不可強行傾斜或扭動電容器，而且電容器及線路板需進行清洗。

5結束語

經(jīng)過了半個世紀的研究與探索，超級電容器體系日益完善。作為一種儲能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、工作可靠安全、無須維護保養(yǎng)、價格低廉的儲能系統(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，目前正在越來越廣泛的應用到人們日常生活的方方面面。