超級電容器的原理及應用

李夢格 李杰

摘要：超級電容器是介于傳統電池和傳統電容器之間的一種新型儲能裝置。超級電容器因其具有高比功率、能迅速充放電、綠色環保、無須維護等優點，越來越受到人們的重視，也逐漸應用于生活中的方方面面。本文著重介紹了超級電容器的儲能原理和主要應用領域，并且對超級電容器的性能特點及分類做了簡要闡述。

關鍵詞：超級電容器;儲能原理;性能特點;應用領域

1簡介

在宏觀經濟市場的條件下，人們的物質水平及生活質量在不斷地提高，對能源的需求也逐漸增大，造成能源危機日益加重。面對日益嚴重的能源危機和傳統普通電池存在使用壽命較短、污染環境等劣勢現象，使得人們不得不開始尋找新型能源的開發利用。超級電容器（Supercapacitors）就是在如何解決人們日益增長的物質需求與我國現存的能源短缺的矛盾的條件下應運而生。超級電容器是一種新型的電化學儲能裝置，其儲能過程高度可逆。經研究發現：超級電容器具有法拉級的大容量，其功率密度遠大于普通電池的功率密度，并且兼具充放電效率高、綠色環保、無需維護等特點。正是由于超級電容器具備的這些特點，使得人們一再重視并不斷研究如何提高超級電容器性能的課題。但是，與普通電池相比，超級電容器的能量密度遠低于普通電池，這一原因在一定程度上限制了超級電容器的發展。如何增大超級電容器的比容量，成為發展超級電容器面臨的難題之一。有學者提出：普通電池具有很大的比容量，將超級電容器與普通電池結合起來使用，充分發揮兩者的優點，揚其長避其短，是未來儲能器件的發展方向之一。

2超級電容器的概述

2.1超級電容器的基本概念

超級電容器是一類類似于蓄電池而又有一定程度差別的儲能裝置。它是一種介于普通電池和普通電容器之間的電化學元件，能量的儲存主要是通過極化電解質。其儲能過程不僅高度可逆，而且是物理變化過程。因此，超級電容器既能夠反復充放電，又不會對比電容產生任何影響。

2.2超級電容器的儲能原理

按照儲能原理機制，超級電容器分為以下兩類：雙電層電容和準電容（又稱法拉第贗電容）。

（1）雙電層電容。雙電層電容器儲存能量的途徑，主要是通過電極和電解質之間形成的界面雙層。[1]所謂界面雙層，是指在雙電層電容器中電極與電解液相互接觸，在庫倫力、分子及原子間作用力的相互影響下，固液界面上出現穩定的、符號相反的雙層電荷。a.充電過程：在兩電極上施加電場，在電場的作用下，電解液中的陰陽離子分別向正負兩極移動，從而形成雙電層;撤去電場后，利用同種電荷相互排斥異種電荷相互吸引的性質，實現雙電層的穩定，產生穩定的電勢差。b.放電過程：將電極與外電路連通，在電勢差的作用下，電子發生定向移動形成外電流。此時吸附在電極表面上的陰陽離子回到電解液本體，雙電層解體。

（2）準電容。準電容器主要是指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，發生高度可逆的化學吸附脫附或氧化還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。由于反應在整個體相中進行，因而這種體系可實現的電容較大。[2]a.充電過程：將電極與外電路連通，在外電場的作用下，電極或溶液表面聚集大量的陰陽離子，通過氧化還原反應，這些離子進入到電極表面活性氧化物的體相中，從而實現電荷的儲存。b.放電過程：進入氧化物中的離子通過以上氧化還原反應的逆反應重新返回到電解液中，同時將所存儲的電荷通過外電路釋放出來。

2.3超級電容器的分類

對于超級電容器而言，可從不同方面對其進行分類，具體分類如下：

（1）從儲能原理方面，可分為雙電層電容器、準電容器和混合型電容器?；旌闲碗娙萜鹘鉀Q了蓄電池的功率密度低和超級電容器能量密度較低的缺點，而且不必借助串聯結構，混合型超級電容器就能滿足工作電壓的需求。

（2）從電極材料方面，可分為碳電極電容器、導電聚合物電容器和貴金屬氧化物電極電容器。其中由于活性炭的成本較低、比表面積高、容量大等優點而被廣泛應用。

（3）從電極上的反應情況及結構方面，可分為對稱型和非對稱型超級電容器。對稱型超級電容器的特點是電極組成相同、反應相同、反應方向相反;非對稱型超級電容器的特點是電極組成不同、反應不同。

3超級電容器的特點

3.1超級電容器的優點

相對于其它儲能裝置而言，超級電容器主要有以下幾點優勢[3]：（1）高比功率：超級電容器的功率密度是普通電池的10～100倍。（2）使用壽命長、充放電效率高：超級電容器的充放電過程是物理變化，理論上可充放電數十萬次乃至無窮大，而且能夠迅速充放電。（3）作用溫度范圍寬：在超級電容器的充放電過程中，電荷的轉移主要是在電極活性物質表面進行，隨溫度的變化其容量不會發生較大的變化，在-40～70攝氏度的環境下均能正常工作。（4）可靠性高：久置不用，普通電池和超級電容器都會發生電壓降低的現象，對它們進行充電便可使電壓復原。與普通電池不同的是，超級電容器的容量性能不會因此受到任何影響。（5）綠色環保、無污染：超級電容器在生產、裝備、工作過程中不會產生污染環境的物質，并且線路簡單，可以直接讀出剩余電量，檢測方便。

3.2超級電容器的缺點

（1）能量密度低：相較于普通電池，超級電容器的能量密度遠低于普通電池的能量密度。（2）耐壓較低：單體電壓低，受制于超級電容器的電解溶液的分解電壓。（3）成本高，和鋁電解電容器相比，超級電容器的內阻較大，不可以用于交流電路。

3.3超級電容器與其他儲能裝置的比較

4超級電容器的主要應用領域

4.1運輸方面

超級電容器在運輸方面主要應用于電動汽車和混合動力汽車領域。電動汽車和混合動力汽車對動力能源的要求較高，蓄電池受其自身的功率輸出、壽命、充放電效率等方面的限制，無法在最大程度上滿足機車的需求。而超級電容器-蓄電池組能夠提高機車的啟動性，在一定程度上能很好地滿足機動車在啟動、加速、爬坡時對功率的要求，并且在溫度較低的條件下，能夠正常啟動且一次性啟動。為盡量減少大電流充放電對電池造成的負面影響，需要超級電容器與動力電池的相互配合，從而延長電池壽命。與此同時，超級電容器還能夠通過再生制動系統將瞬間能量收回，提高能量利用率。[4]

4.2消費電子方面

超級電容器具有在短時間內能夠迅速完成充電、提供瞬時大電流的特點，可以在系統電壓突然降低的情況下，充當后備電源的作用。例如主電源突然發生中斷、接觸不良或負載過大等，超級電容器可以避免由于突然斷電對用電器產生的不良影響。

4.3可再生能源發電分布式電力系統

超級電容具有高比功率、使用壽命長、儲能效率高、無須維護等特點，在可再生能源發電或分布式電力系統領域中，可以彌補發電設備輸出功率的不穩定性和不可預測性的劣勢。在高壓開關站及變電站硅整流分合閘裝置領域中，由于超級電容器能夠有效地解決傳統電解電容器儲能低及漏電流大造成的分合閘裝置可靠性差等問題，傳統電解電容器逐漸被超級電容器替代。超級電容器也可應用于分布式電網。分布式電網系統利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當能量出現緊缺時，通過控制單元再將存儲的能量釋放出來，這能夠準確快速地補償系統所需要的能量，實現電能平衡機制的穩定控制。[5]同時，超級電容器還可以改善電網質量。

4.4變頻驅動系統的能量緩沖器

超級電容器和功率變換器構成的能量緩沖器，可以應用于電梯等變驅動系統，加速時，向驅動系統的直流母線提供電流，從而提供電機所需的峰值功率;減速時，電機通過變頻器向直流母線進行能量回收。在動力UPS系統中，超級電容器可以作為能量直流儲能組件，其可以避免由多節蓄電池串聯所帶來的一系列的問題，并且降低成本，便于維護，提高UPS設備的可靠性。[6]

4.5軍事裝備

軍事裝備要求儲能單元可靠、輕便并且隱蔽性要強，但很多的軍用裝備不能夠直接通過公共電網供電，而是需要配置發電設備和儲能裝置?；旌闲统夒娙萜髟谝欢ǔ潭壬夏軌驖M足軍事裝備的需求：能夠大幅度減輕背負設備的重量;解決常規潛艇中蓄電池壽命短暫的問題;解決運輸車等車輛的低溫啟動性困難的問題，另外還可以提高車輛的動力性和隱蔽性。

5結語

超級電容器憑借自身具有高比功率、充放電效率高、壽命長的優勢，填補了普通電池與普通電容器之間的空白，并且逐漸應用于生活、軍事、工業等方方面面。但同時由于鋰電池的快速發展，使得超級電容器的發展空間受到一定的限制。雖然超級電容器存在一定程度的不足之處，但是其未來的發展空間是值得我們每一個人期待的。

參考文獻：

[1]鄒景澍.基于超級電容器的儲能系統控制策略的研究.西南交通大學，2017.

[2]曹成琦.城軌車載超級電容儲能系統研究.湖南工業大學，2016.

[3]豐駿，朱云松，丁曉峰.淺析超級電容器的應用及發展趨勢[J].山東工業技術，2018（24）：176.

[4]趙騰，秦剛，陳中孝，張振宇.分布式電源的微電網儲能系統仿真[J].單片機與嵌入式系統應用，2018，18（08）：1-4+10.

[5]黃曉斌，張熊，韋統振，齊智平，馬衍偉.超級電容器的發展及應用現狀.電工電能新技術，2017：63-70.

[6]陳雪丹，陳碩翼，喬志軍，傅冠生，阮殿波.超級電容器的應用.儲能科學與技術，2016：800-806.