超級(jí)電容器的技術(shù)特點(diǎn)與市場(chǎng)應(yīng)用研究

高玉雙 張靜 劉鵬

摘?要：超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，具有功率密度高、使用時(shí)間長(zhǎng)、護(hù)理頻率低放電功率大等特點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要介紹了超級(jí)電容器的技術(shù)特征和原理，并對(duì)超級(jí)電容器在電車、電子類電源和電力系統(tǒng)中的應(yīng)用作了介紹。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器;技術(shù);市場(chǎng)應(yīng)用

近年來(lái)，超級(jí)電容器以其瞬間大功率輸出的特點(diǎn)，越來(lái)越引起人們的關(guān)注。與二次電池相比，超級(jí)電容器具有壽命長(zhǎng)、放電頻率高、污染小和安全性能高等優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)超級(jí)電容器的技術(shù)構(gòu)成和市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行分析，試圖展示超級(jí)電容器良好的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)前景。

一、超級(jí)電容器的工作原理和特征

超級(jí)電容器又被稱為電化學(xué)電容器，是近年來(lái)新發(fā)展的一種新型儲(chǔ)能設(shè)備。由美國(guó)學(xué)者貝克首先提出，將電容器作為儲(chǔ)能元件。此后，在研發(fā)過(guò)程中，研究者將金屬氧化物或氮化物作為電極的活性物質(zhì)，由此超級(jí)電容器具有了雙電層電容所無(wú)法匹敵的優(yōu)勢(shì)。

具體而言，超級(jí)電容器又包括雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器，兩者構(gòu)成了超級(jí)電容器運(yùn)作的主要原理。雙電層電容器通過(guò)電極和電解質(zhì)的交互作用形成的界面雙電層進(jìn)行能量的儲(chǔ)存。電極和電解液在接觸時(shí)，會(huì)因?yàn)閹?kù)侖力、分子間力的作用，而產(chǎn)生符號(hào)相反的兩層電荷，即界面雙電層。雙電層電容器的儲(chǔ)能主要通過(guò)電解質(zhì)溶液的電化學(xué)極化實(shí)現(xiàn)，由于不需要進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，因此，雙電層電容器的儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的。

法拉第準(zhǔn)電容器在電極形成的空間上進(jìn)行欠電位沉積，由此產(chǎn)生化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng)，并形成與電極充電電位有關(guān)的電容。在儲(chǔ)存電荷的過(guò)程中，電容器中的電解液中離子會(huì)在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應(yīng)而將電荷儲(chǔ)存于電極中。

作為物理電容器和傳統(tǒng)電池間的儲(chǔ)能設(shè)備，超級(jí)電容器具有巨大的優(yōu)勢(shì)。相較于傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備，它的特點(diǎn)如下：一是功率密度更高，超級(jí)電容器的內(nèi)阻更小，電極和電解液形成的界面與電極材料本身都可以實(shí)現(xiàn)電荷的儲(chǔ)存;二是壽命更長(zhǎng)，電容器實(shí)現(xiàn)充放電不需要借助電化學(xué)反應(yīng)，因此，充放電時(shí)間更少，并且在循環(huán)使用上可以達(dá)到萬(wàn)次以上。三是在電能輸出上可以實(shí)現(xiàn)高比功率的輸出。四是使用壽命長(zhǎng)，安全系數(shù)高，由于不需要相關(guān)的其他運(yùn)動(dòng)零件，因此不需要進(jìn)行反復(fù)維護(hù)。五是耐用性強(qiáng)，電容器可以在超低溫和高溫條件下使用，還可以進(jìn)行并聯(lián)和串聯(lián)使用，以增加電容量，提高電壓級(jí)別。

二、超級(jí)電容器在電車電源領(lǐng)域的應(yīng)用

由于車輛在啟動(dòng)、爬坡和加速時(shí)對(duì)電源功率的高強(qiáng)度要求，因此，超級(jí)電容器具有的高功率性質(zhì)使其廣泛運(yùn)用于電車電源領(lǐng)域。此外，通過(guò)使用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)的方式還可以減少車載電池的體積，并且延長(zhǎng)電池的壽命。目前，世界各國(guó)已基本將超級(jí)電容器作為電動(dòng)車的啟動(dòng)電源。例如，通用汽車就已將超級(jí)電容器組成并聯(lián)混合電源系統(tǒng)和串聯(lián)電源系統(tǒng)應(yīng)用于電車之上。在我國(guó)，將超級(jí)電容器運(yùn)用于電車始于2004年。在很大程度上，超級(jí)電容器的運(yùn)用解決了電車造成的機(jī)動(dòng)性能差的問(wèn)題，避免了傳統(tǒng)蓄電池造成的二次污染。

三、超級(jí)電容器在電子類電源領(lǐng)域的應(yīng)用

在電子類電源領(lǐng)域，超級(jí)電容器主要運(yùn)用于小型電子類裝備中，并且在衛(wèi)星等高端設(shè)備領(lǐng)域也有應(yīng)用。在衛(wèi)星上配備超級(jí)電容器，可以極大地改善太陽(yáng)能與電池組成的混合電源造成的減弱衛(wèi)星脈沖通訊能力的問(wèn)題。在小型電子類裝備領(lǐng)域，超級(jí)電容器的快速充電性能，可以增加這些設(shè)備使用的便捷性。此外，超級(jí)電容器在移動(dòng)通信電源領(lǐng)域和醫(yī)療器械領(lǐng)域也有應(yīng)用。在移動(dòng)通信電源領(lǐng)域，由于超級(jí)電容器具有的高功率密度和低能量密度的特性，可以將其和其他電源混合使用，并且還可以用于短時(shí)功率后備能源以保護(hù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，超級(jí)電容器的過(guò)渡充放電保護(hù)電路性能可以防止醫(yī)療過(guò)程中突然斷電造成的損失。

四、超級(jí)電容器在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在大型電力系統(tǒng)領(lǐng)域，電站所采用的控制性設(shè)備多是電磁操作開(kāi)關(guān)，并配備有專門用于控制和保護(hù)用的直流電源。但是，由于傳統(tǒng)電解電容器的容量有限，造成電源使用時(shí)間有限，可靠性較差。與此相反，超級(jí)電容器則可以保證分閘能量供應(yīng)的絕對(duì)可靠，同時(shí)也保留了傳統(tǒng)電容儲(chǔ)能式硅整流分合閘裝置的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于蓄電池自身壽命短、維護(hù)頻繁等局限性導(dǎo)致電站UPS在運(yùn)行中需時(shí)刻注意蓄電池的狀態(tài)。超級(jí)電容器則因其輸出電流可以迅速提升，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存，因此可以在電源故障時(shí)隨時(shí)啟用。當(dāng)然，需要注意的是，超級(jí)電容器所出能量所能支持的供電時(shí)間較短，在一分鐘內(nèi)具有較大的優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行50萬(wàn)次電循環(huán)，使UPS真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。

五、結(jié)論

超級(jí)電容器解決了傳統(tǒng)電源功率密度和能量密度之間的矛盾，避免了傳統(tǒng)電源運(yùn)用中頻繁充電和頻繁更換電池的問(wèn)題。近年來(lái)，超級(jí)電容器逐漸開(kāi)始運(yùn)用到電子類電源、電力系統(tǒng)以及太陽(yáng)能、風(fēng)能等領(lǐng)域，這對(duì)于減少電池維護(hù)利用頻率，增強(qiáng)電能的使用效率具有非常大的好處。

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