超級電容器的原理及應用

張勁松

隨著全球能源價格的不斷攀升和環境的日益惡化，探索利用環保能源成為各國科技人員努力的重點。超級電容器是近年發展起來的新型電力儲能器件，具有循環壽命長、工作溫度范圍寬、環境友好、免維護的優點，在新型電力儲能技術方面具有廣闊發展前景。

一、超級電容器簡介

超級電容器，又叫雙電層電容器、電化學電容器、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件，在儲能的過程中并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，因此超級電容器可以反復充放電十萬次。超級電容器可視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

超級電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的全新電容器。眾所周知，插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷，從而使電極間產生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似，產生電容效應，緊密的雙電層近似于平板電容器。但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間小得多，因此電容量非常大。當兩極板間的電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，界面上的電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(通常為3V以下)；如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時電解液將分解，為非正常狀態。由于隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷響應減少。由此可以看出超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩定的，與利用化學反應的蓄電池是不同的。

二、超級電容器的主要特點

1、功率密度高

可達103～104W／kg，遠高于目前蓄電池的功率密度水平。

2、循環壽命長

深度充放電循環可達50萬次～100萬次以上。

3、工作溫度范圍寬

目前超級電容器工作溫度范圍可達－40℃～+80℃，今后有望更寬。

4、免維護

超級電容器充放電效率高，對過充電和過放電有一定的承受能力，可穩定地反復充放電，理論上不需要進行維護。

5、綠色環保

超級電容器在生產過程中不使用重金屬或其它有害的化學物質，且壽命長，是一種新型的綠色環保電源。

三、超級電容器的使用領域

1、后備電源

稅控機、稅控加油機、真空開關、智能表、遠程抄表系統、儀器儀表、數碼相機、掌上電腦、電子門鎖、程控交換機、無繩電話時鐘芯片、靜態隨機存貯器、數據傳輸系統等微小電流供電的后備電源。

2、啟動電源

智能表(智能電表、智能水表、智能煤氣表、智能熱量表)作電磁閥的啟動電源。

3、充電電池

在太陽能警示燈、航標燈等太陽能產品中代替充電電池；也可在手搖發電手電筒等小型充電產品中代替充電電池。

4、驅動電源

可用作電動玩具電動機、語音IC、LED發光器等小功率電器的驅動電源。

5、與其他發電或蓄電系統組合

如風能一太陽能聯合發電系統，風力一柴油聯合發電系統，風力一燃料電池發電系統等，在電力匯合或互補時采用超級電容器進行調節或過渡期的補充，可以提高系統可靠性與穩定性，并提高電力能源的質量。

近年來，大功率超級電容器的生產逐漸走向成熟。我國科學家經過不斷努力，將比活性碳有更多貯存離子空間的金屬氧化物附著在直徑大約100納米的碳納米管上，而碳納米管又涂在鉭金屬薄片上，由此形成了“納米牧場”的結構。研究結果表明，納米牧場的貯電能力是單個氧化錳貯電能力的10倍，所貯備的電量是現有超級電容器所使用的碳電極貯電量的兩倍。納米牧場的復雜結構可以抵擋機械性能的退化，從而避免超級電容器的性能隨時間逐步下降。測試結果表明，此新裝置的貯電能力在充電和耗電2萬次之后僅僅下降了3％，勝過其他高性能的設計。隨著國家在風能、太陽能和電動汽車等領域的不斷投入，相信我國的科研工作者有望讓它們盡快應用于實際中。

(作者單位：河南省新鄉職業技術學院)