超級電容器技術及其應用分析

張譽 蔣良航

【摘 要】在電子信息時代，電力設備已經成為人們日常生活中必不可少的工具，可以代替人們完成各種復雜的操作。當前，電力設備的耗電需求不斷增加，對電容器的存儲量要求不斷提升。傳統電容器無法滿足現代化電路運行的要求，早期簡單的電路結構逐漸被復雜的電路結構形式取代。超級電容器應運而生，能夠有效地解決大負荷電路運行難的問題，確保電子設備正常發揮使用功能。

【關鍵詞】超級電容器;技術;應用

【中圖分類號】TB332;TM53【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0110-03

超級電容器作為一種電化學儲能裝置，具有高度可逆的性質，功率密度遠超普通電容器。它具有充電效率高，無須維護，無毒無害，綠色環保的優勢。與普通電池相比，超級電容器能量密度遠低于普通電容器，這也導致超級電容器的發展受到限制。要積極加強對電容器的比容量研究，將超級電容器與普通電容器結合使用，充分發揮兩者的優勢，滿足未來儲能器的發展需求。

1 超級電容器概念

1.1 超級電容器的概念和原理

超級電容器類似于蓄電池，是具有強大的程度差異的儲能裝置，介于普通電池和普通電容器的超級電化學元件 [1]。超級電容器的儲能過程具有高度可逆性，而且是物理變化的過程，既可以實現反復充放電，又不會對電容產生干擾。

1.2 超級電容器的儲能原理

超級電容器的核心是雙電層結構，有外加電壓作用于普通電容器的兩個極板時，裝置儲能的電荷原理相同，正負電極和正負電荷一一對應，在電場作用下，電解液和電極之間會發生相反電荷，分別位于不同的接觸面，電容器結構組合的改進，可以提高超級電容器的電容儲量。超級電容器兩極板之間的電勢小于電解液標準時，電容器處于正常工作狀態，根據超級電容器的反應原理，在實際運用中可能沒有化學反應，僅發生物理性質的變化，因此超級電容器的穩定性更佳。

1.3 超級電容器的主要分類

超級電容器根據不同的儲能原理可以分為雙電層電容器、混合型電容器和準電容器等類型，混合型電容器可以解決蓄電池功率密度低和能量密度低的缺點。從電極材料方面劃分，包括導電聚合物、超級電容器、貴金屬氧化物。從電極反應狀況劃分，超級電容器包括對稱型和非對稱型兩種類型。

2 超級電容器的主要特點

2.1 超級電容器的優點

與普通電容器相比，超級電容器具有多方面的優勢。利用超級電容器功率密度高的特點，能夠在電極或電解液界面中實現電荷的快速存儲與釋放，輸出功率高，這一特性任何普通電源都無法實現。超級電容器不會發生化學反應，完全通過物理反應的方式工作，能夠極大延長超級電容器循環充放電的壽命，整個過程不會造成能量損耗，超級電容器只需要15 min就可以充滿容量 [2]。在超級電容器充滿以后，盡管依然有微量的電流，但是內部并不會產生化學反應，或者產生新的物質，電極在電解液中非常穩定。有學者認為超級電容器的儲能壽命可以無限延長。超級電容器內部沒有運動部件，也不存在維護工作量，可靠性更高。久置不用后，很多普通電池會發生電壓降低的問題，但超級電容器的容量性能并不會隨之改變。超級電容器在生產運輸和使用時不會產生對環境污染的物質，整個電路設計非常簡單，可以直接對剩余電量進行快速讀取，檢測十分方便。超級電容器通過對早期電容器進行改良，其電容量可以達到法拉級別，更有效滿足復雜電路的運行需要。超級電容器的電路結構設計非常簡單，沒有特殊充電電路和控制放電電路等電容器的整體使用，也不會出現過充、過放等問題。普通電容器無法進行焊接，超級電容器可以根據實際需求進行焊接處理，有效避免電池接觸不良等異常問題，增強了電容器使用的可靠性。

2.2 超級電容器的缺點

超級電容器自身的能量密度非常低，這是目前超級電容器最主要的缺點，使得超級電容器的體積比較大。中科院金屬研究科研人員提出運用電化學電荷注入的方式改變電極材料表面化學結構，對正負電極材料的電化學電位進行調控，達到最佳的初始電位，使得組裝超級電容器在調控后的能量密度顯著增加。運用電化學預包裹的方式，利用二氟草酸硼酸鋰的分解在正電極表面預先包覆一層納米尺度保護層，可以有效解決超級電容器隨能量密度增加使用循環壽命降低的問題，利用鋰電子超級電容器的智能電芯，設計出實用的電芯結構，有效減少廢舊電線處理造成資源浪費的情況 [3]。超級電容器單體電壓非常低，受到電解溶液分解電壓的限制，與常規電解電容器相比，超級電容器自身的內阻更大，不適用于交流電路。通過對超級電容器進行性能測試發現，超級電容器安裝位置不合理也會引發電解質泄漏等問題，嚴重破壞電容器自身的結構。超級電容器僅限于直流電路使用，與鋁電解容器相比較，其擁有更大的電阻，不適用于交流電路運行需求。超級電容器作為全新的高科技產品，目前的市場價格還非常昂貴，導致超級電容器的推廣和普及難度加大。

2.3 超級電容器與其他儲能裝置比較

超級電容器的出現填補了普通電容器的空白，不僅比功率遠超出普通電池，充電時間非常短，可以快速放電，充放電效率相當高，還能夠有效延長使用壽命。

3 超級電容器的主要應用領域

3.1 軌道交通領域

超級電容在有軌電車、地鐵制動能量回收裝置等方面被廣泛應用。目前，有軌電車主要通過超級電容器作為動力來源，無須接觸網就能夠快速完成充電。地鐵之間的間距非常短，制動頻繁，制動能量相當高，可以用超級電容器制動能量回收裝置取代制動電阻，在汽車啟動時釋放制動能量，對地鐵運輸節能具有非常重要的作用 [4]。超級電容器工作溫度為-40～70 ℃，可承受50萬次的充放電深度循環。超級電容器作為一種儲能系統，早在2006年，上海巴士集團就已經將超級電容公交系統用于日常運行，公交車的線路行駛固定，只需要在停靠站點時利用乘客上下車的時間，就能夠采用超級電容技術快速補充能量，實現續航，直至下一個充電站。與傳統的電子式電力公交相比較，采用超級電容器的公交系統不再受到電線的局限，也不會因為故障造成車輛無法自動運行，提高城市的整體市容環境，但是超級電容公交車在早期存在散熱不及時的問題，使得車輛在行駛過程中會出現噪音偏大、運行速度慢、車輛突然停止、充電設備被擠占等問題。隨著技術的革新，全新高能量智能超級電容車在2019年9月正式運營，這不僅徹底解決了超級電容系統高溫性能不佳、噪音大、續航里程短等問題，還能夠實現單次充電40 s運行10 km的續航水平，整個充電站隨著線路的不斷增加，超級電容公交系統也變得越來越便捷。在私家車領域，超級電容器無法持續輸出能量，同時私家車也沒有固定的行駛路線，私家車目前很難將超級電容器作為唯一的能量來源，但是可以通過超級電容器作為傳統動力電池的輔助。在短時間內提高電動車的整體續航能力，超級電容器自身的回收儲能效率也比普通電池更高。在充電階段，超級電容器能夠使車輛在極短時間內完成充能，消除充電的長時間等待。在紅燈車輛停止狀態下，超級電容器就能夠為電池組自動充電。在車輛需要加速時，超級電容器還可以直接向電機輸出大電流，或者電池組將電能反向輸出給超級電容器，增強瞬間電流的輸出效果。目前，超級電容器很難在電動車上大規模普及與推廣，但是可以搭配電池進行使用，獲得更好的效果。搭配超級電容器之后，電動車續航能力得到全面提高，有效減少電池的整體重量，使得電池變得更加小巧精致，減輕電動車的重量，同時能夠提高能源消耗效果，降低生產成本。超級電容還可以應用在智能充電樁技術中，目前超級快充樁普及瓶頸在于網絡負載能力。利用超級快充技術，能夠打破網絡負載的局限。在閑置狀態下，超級電容器可以直接通過低功率或高壓直流電動充電，不會給電網造成負荷壓力，在充滿電的狀態下可以實現大功率的直流輸出，使得超級電容器實現快速充電。超級電容器的能量密度比較低，安全性非常高，不占空間，體積較小。在車底正中央安裝超級電容器，能夠有效避免因為事故碰撞造成超級電容器出現異常問題 [5]。

3.2 可再生能源領域

目前，隨著風力發電和太陽能發電的不斷發展，我國已經有很多清潔能源項目，但這些清潔能源。隨機性和波動性的特點，使得蓄電池頻繁充電，縮短蓄電池的使用壽命。超級電容器可以有效解決這些問題，可以為微電網提供大量的緩沖能量，改善電力的整體品質，提高系統的穩定性與可靠性。

3.3 消費電子

電容器可以在短時間內提供大電流，在系統電壓突然降低的情況下，還可以充當后備電源使用。主電源發生中斷、接觸不良或者負載過大等問題，運用超級電容器可以有效避免突然斷電對整個電器造成的負面影響。

3.4 變頻驅動系統能量緩沖器

超級電容器的功率變換器可以共同構成能量緩沖器，可以應用于電梯等電驅動系統中，在系統加速時，能夠由直流母線提供電流，提高電機所需的峰值功率。在減速時，可以向直流母線進行能量回收，利用動力UPS可以直接將超級電容器作為儲能組件，避免多節蓄電池串聯引發的各種問題，有效降低變頻驅動系統的成本，方便維護使用。

3.5 軍事裝備

軍事系統要求儲能單元必須輕便可靠，具有隱蔽性，但很多軍用設備無法通過公共電網供電，需要配備專用發電設備和儲能機制，混合型超級電容器能夠滿足軍事裝備的需求，減輕設備的負擔 [6]。同時，它可以有效解決潛艇中蓄電池壽命短的問題，還可以避免因為低溫啟動困難造成車輛運輸受到影響，全面提升車輛的動力性和隱蔽性。微電網通常配備可再生能源發電機，目前在并網中還存在限制，為避免對微電網造成干擾，可以選擇ESS管理策略。超級電容器可以改善電池儲能系統的缺陷，也能夠增強電池放電功率的整體性能。可以聯合電池儲能系統在微電網中應用。超級電容器具有高彈性快速響應的優勢，滿足電力需求，使系統的運行效率更高，延長燃料電池的整體使用壽命。

未來，超級電容器的發展趨勢主要有以下幾個方面。低成本、高密度是超級電容器未來發展的主要方向，能夠顯著降低設計成本，促進超級電容器的快速普及。超級電容器具有更高的密度、免維護、長壽命的使用特性，能夠擴大市場占有率，并且實現超高功率的發展。超級電容器在不同領域中的老化機理研究及電容器儲能系統控制策略，也是未來超級電容器的主要發展趨勢，可以幫助超級電容儲能系統實現優化，減少系統設計時造成的各種不利因素 [7]。

4 結語

我國一直以來主要以常規電容器為主，通過兩片接近或相互絕緣電極構成儲存電荷電能的電子元件。超級電容通過雙電層電容器，具備充電時間短、運行壽命長、溫控效果好、環保性能強的優勢，在未來社會發展中具有非常廣闊的應用前景，超級電容器取代傳統儲能器也是一種必然的發展趨勢。

參 考 文 獻

[1]何昫.三氧化鎢超級電容器電極材料的制備與性能研究[D].長春：吉林大學，2020.

[2]代立新.高性能水凝膠電解質的制備及在電化學儲能中的應用[D].長春：吉林大學，2020.

[3]陳志敏.生物質基分級多孔炭的制備及電化學性能研究[D].長春：吉林大學，2020.

[4]李濤.新型多孔有機聚合物的構筑及電化學性能研究[D].無錫：江南大學，2020.

[5]徐少文.高能量密度生物質衍生炭基超級電容器的構建[D].蘭州：蘭州大學，2020.

[6]沈苗.泡沫鎳負載Ni3S2/聚吡咯復合材料的制備及其超容性能研究[D].長沙：湖南師范大學，2020.

[7]楊娜娜.不同維度碳材料負載MOFs復合材料的制備與電容性能[D].西安：西安科技大學，2020.