基礎(chǔ)知識：超級電容器
2017-5-9 12:22:30??????點(diǎn)擊：
定義
超級電容器電池又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是一種新型儲能裝置，它通過極化電解質(zhì)來儲能，具有充電時(shí)間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，一般使用活性碳電極材料，具有吸附面積大，靜電儲存多的特點(diǎn)，在新能源汽車中有廣泛使用。
超級電池器簡介
電能是當(dāng)代社會(huì)不可或缺的重要資源，而儲能設(shè)備的優(yōu)劣直接影響著電力設(shè)備的充分應(yīng)用。近年來隨著便攜式設(shè)備、不間斷電源系統(tǒng)以及電動(dòng)車的大量開發(fā)使用，蓄電池的使用量日益增加?？沙潆娦铍姵?，特別是鉛酸蓄電池憑借其價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、沒有記憶功能等卓越特點(diǎn)普遍應(yīng)用在各行各業(yè)。但蓄電池受其先天條件的制約，存在著循環(huán)壽命差、高低溫性能差、充放電過程敏感、深度放電性能容量恢復(fù)困難、環(huán)境污染的問題，傳統(tǒng)蓄電池已經(jīng)越來越無法滿足人們對儲能系統(tǒng)的要求，給超級電容器電池的發(fā)展提供了廣闊的空間。
超級電容器的原理
超級電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解質(zhì)接觸時(shí)，由于庫侖力、分子間力或原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的雙層電荷，稱為界面雙電層。贗電容也稱為法拉第準(zhǔn)電容，是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)，產(chǎn)生和電極充電電位有關(guān)的電容。
超級電容器的應(yīng)用
超級電容器作為產(chǎn)品已趨于成熟，其應(yīng)用范圍也不斷拓展，在工業(yè)、消費(fèi)電子、通訊、醫(yī)療器械、國防、軍事裝備、交通等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。從小容量的特殊儲能到大規(guī)模的電力儲能，從單獨(dú)儲能到與蓄電池或燃料電池組成的混合儲能，超級電容器都展示出了獨(dú)特的優(yōu)越性。美、歐、日、韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)對超級電容器的應(yīng)用進(jìn)行了卓有成效的研究。概括起來，有關(guān)超級電容器的應(yīng)用或應(yīng)用研究可以分為以下幾個(gè)方面。
01小功率電子設(shè)備的后備電源、替換電源或主電源
后備電源
當(dāng)主電源中斷、由于振動(dòng)產(chǎn)生接觸不良或由于其他重載引起系統(tǒng)電壓降低時(shí)，超級電容器就能夠起后備電源作用。其電量通常在微安或毫安級。典型的應(yīng)用有：錄像機(jī)、TV衛(wèi)星接收器、汽車音頻系統(tǒng)、出租車的計(jì)量器、無線電波接收器、出租計(jì)費(fèi)器、鬧鐘、控制器、家用面包機(jī)、咖啡機(jī)、照相機(jī)和電視機(jī)、計(jì)數(shù)器、移動(dòng)電話、尋呼機(jī)等。
替換電源
由于超級電容器具有高充放電次數(shù)、壽命長、使用溫度范圍寬、循環(huán)效率高以及低自放電的特點(diǎn)，故很適合做替換電源。例如，白天太陽能提供電源并對超級電容器充電，晚上則由超級電容器提供電源。典型的應(yīng)用有太陽能手表、路標(biāo)燈、公共汽車停車站時(shí)間表燈、交通信號燈等，它們能長時(shí)間使用，不需要任何維護(hù)。
主電源
通過一個(gè)或幾個(gè)超級電容器釋放持續(xù)幾毫秒到幾秒的大電流。放電之后，超級電容器再由低功率的電源充電。其典型的應(yīng)用有玩具車，其體積小、重量輕，能很快跑動(dòng)。
02電動(dòng)汽車
普通電池雖然能量密度高，行駛里程長，但是存在充電時(shí)間長、無法大電流充電、工作壽命短等不足。電動(dòng)汽車的動(dòng)力源有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及燃料電池等。與之相比，超級電容器功率大，充電速度快，輸出功率大，剎車再生能量回收效率高。超級電容在新能源汽車中主要有三類應(yīng)用：一是作為動(dòng)力設(shè)備，如上海11路公交即為超級電容大巴，車輛運(yùn)行中途充電只需30秒，一次充電可行駛5~8公里，既節(jié)能環(huán)保又兼顧城市景觀；二是作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助驅(qū)動(dòng)，在汽車快速啟動(dòng)時(shí)提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，減少了油耗和不完全燃燒的污染排放；三是對制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，當(dāng)汽車需要加速時(shí)，再將這些儲存的能量釋放出來，提高了能源的使用效率。由于超級電容器的壽命是普通化學(xué)電池的100倍以上且徹底免維護(hù)，使用超級電容器作為動(dòng)力源的城市交通電動(dòng)汽車綜合運(yùn)營成本大大低于采用電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車。目前世界各國都在開發(fā)電動(dòng)汽車，主要傾向是開發(fā)混合電動(dòng)汽車（HEV），用電池為電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行提供能量，而加速和爬坡時(shí)可以由超級電容器來補(bǔ)充能量。另外，用超大容量電容器存儲制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量。在電動(dòng)車輛行駛時(shí)，起步快，加速快，爬坡能力強(qiáng)。
03可再生能源發(fā)電系統(tǒng)/分布式電力系統(tǒng)
在可再生能源發(fā)電或分布式電力系統(tǒng)中，發(fā)電設(shè)備的輸出功率具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性的特點(diǎn)。采用超級電容器儲能，可以充分發(fā)揮其功率密度大、循環(huán)壽命長、儲能密度高、無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，既可以單獨(dú)儲能，也可以與其他儲能裝置混合儲能。其優(yōu)點(diǎn)有一是循環(huán)壽命，電池循環(huán)壽命要求比較高，最好是能夠持續(xù)使用15年以上。二是大功率充放電性能。三是工作適應(yīng)溫度比較寬一點(diǎn)，盡可能在零下40和70度都有較好的充放電能力。四是安全穩(wěn)定問題，純電動(dòng)和混合電動(dòng)都出現(xiàn)過安全事故，這塊大家都非常關(guān)注。五是充放電效率，動(dòng)力電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過充電-放電-充電的循環(huán)，高的充放電效率對保證整車效率具有至關(guān)重要的作用。超級電容器與太陽能電池相結(jié)合，可以應(yīng)用于路燈、交通警示牌、交通標(biāo)志燈等。超級電容器還應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等分布式發(fā)電系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)起到瞬間功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，并可以在發(fā)電中斷時(shí)作為備用電源，以提高供電的穩(wěn)定性和可靠性。在風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)中，超級電容不會(huì)過充，過放影響壽命，充放電過程僅僅是物理層面上的變化，不會(huì)對常年密閉空間作業(yè)的輪轂內(nèi)部造成二次污染，超級電容以保持穩(wěn)定的直流電壓，保證變槳伺服電機(jī)的正常運(yùn)作。
04變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量緩沖器
超級電容器與功率變換器構(gòu)成能量的緩沖器，可以用于電梯等變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)電梯上升時(shí)，能量緩沖器向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直流母線供電，提供電機(jī)所需的峰值功率；在電梯減速下降過程中，吸收電機(jī)通過變頻器向直流母線回饋的能量。
有軌電車領(lǐng)域
超級電容儲能式有軌電車已逐步融入了城市文化，它已經(jīng)不僅僅是一種交通工具，而是一種新的生活方式。
05軍事裝備領(lǐng)域
軍用裝備，尤其是野戰(zhàn)裝備，大多不能直接由公共電網(wǎng)供電，而需要配置發(fā)電設(shè)備及儲能裝置。軍用裝備對儲能單元的要求是可靠、輕便、隱蔽性強(qiáng)。采用超級電容器與蓄電池混合儲能，可以大幅度減輕電臺等背負(fù)設(shè)備的重量；為軍用運(yùn)輸車、坦克車、裝甲車等解決車輛低溫啟動(dòng)困難的問題，還可提升車輛的動(dòng)力性和隱蔽性；解決常規(guī)潛艇中蓄電池失效快、壽命短的問題；還可以為雷達(dá)、通信及電子對抗系統(tǒng)等提供峰值功率，以減小主供電電源的功率等級。
超級電容器與普通電池的區(qū)別
1、超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。
2、超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。
3、超級電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰俊Ｔ谝恍┕β蕸Q定能量存儲器件尺寸的應(yīng)用中，超級電容器是一種更好的途徑。
4、超級電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。
5、超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會(huì)受到損害。
6、超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾百個(gè)循環(huán)
7、超級電容器用的材料是安全的和無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池軍具有毒性。
8、可以在很寬的度范圍內(nèi)正常工作（-40至＋70℃）而蓄電池很難在高特別是低環(huán)境下工作。
超級電容器與鋰電池的區(qū)別
1、超級電容器（雙電層）是電容器。儲能少。鋰電是化學(xué)電池。儲能多。超級電容具有大功率密度，鋰離子電池具有大能量密度。
2、超級電容器與鋰電池相同點(diǎn)都可以貯存能量，不同點(diǎn)是超級電容量瞬間充電瞬間放電。
3、超級電容器充放電都是物理過程，鋰電池是化學(xué)過程。
4、超級電容的最大優(yōu)勢在瞬時(shí)大電流上，而電池的優(yōu)勢在適當(dāng)電流的持續(xù)釋放上，所以二者可以互補(bǔ)使用，例如在電動(dòng)車的使用方面最佳方案就是結(jié)合使用的，電容主要用于啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)高流。
5、超容的優(yōu)勢在于其儲能過程是一個(gè)物理過程，功率密度大，電池在于其持續(xù)的放電能力，能量密度遠(yuǎn)大于超容。
超級電容器充電方法
詳見：超級電容組充電解決大電容充電方案
超級電容器電池又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是一種新型儲能裝置，它通過極化電解質(zhì)來儲能，具有充電時(shí)間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，一般使用活性碳電極材料，具有吸附面積大，靜電儲存多的特點(diǎn)，在新能源汽車中有廣泛使用。
超級電池器簡介
電能是當(dāng)代社會(huì)不可或缺的重要資源，而儲能設(shè)備的優(yōu)劣直接影響著電力設(shè)備的充分應(yīng)用。近年來隨著便攜式設(shè)備、不間斷電源系統(tǒng)以及電動(dòng)車的大量開發(fā)使用，蓄電池的使用量日益增加?？沙潆娦铍姵?，特別是鉛酸蓄電池憑借其價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、沒有記憶功能等卓越特點(diǎn)普遍應(yīng)用在各行各業(yè)。但蓄電池受其先天條件的制約，存在著循環(huán)壽命差、高低溫性能差、充放電過程敏感、深度放電性能容量恢復(fù)困難、環(huán)境污染的問題，傳統(tǒng)蓄電池已經(jīng)越來越無法滿足人們對儲能系統(tǒng)的要求，給超級電容器電池的發(fā)展提供了廣闊的空間。
超級電容器的原理
超級電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解質(zhì)接觸時(shí)，由于庫侖力、分子間力或原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的雙層電荷，稱為界面雙電層。贗電容也稱為法拉第準(zhǔn)電容，是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)，產(chǎn)生和電極充電電位有關(guān)的電容。
超級電容器的應(yīng)用
超級電容器作為產(chǎn)品已趨于成熟，其應(yīng)用范圍也不斷拓展，在工業(yè)、消費(fèi)電子、通訊、醫(yī)療器械、國防、軍事裝備、交通等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。從小容量的特殊儲能到大規(guī)模的電力儲能，從單獨(dú)儲能到與蓄電池或燃料電池組成的混合儲能，超級電容器都展示出了獨(dú)特的優(yōu)越性。美、歐、日、韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)對超級電容器的應(yīng)用進(jìn)行了卓有成效的研究。概括起來，有關(guān)超級電容器的應(yīng)用或應(yīng)用研究可以分為以下幾個(gè)方面。
01小功率電子設(shè)備的后備電源、替換電源或主電源
后備電源
當(dāng)主電源中斷、由于振動(dòng)產(chǎn)生接觸不良或由于其他重載引起系統(tǒng)電壓降低時(shí)，超級電容器就能夠起后備電源作用。其電量通常在微安或毫安級。典型的應(yīng)用有：錄像機(jī)、TV衛(wèi)星接收器、汽車音頻系統(tǒng)、出租車的計(jì)量器、無線電波接收器、出租計(jì)費(fèi)器、鬧鐘、控制器、家用面包機(jī)、咖啡機(jī)、照相機(jī)和電視機(jī)、計(jì)數(shù)器、移動(dòng)電話、尋呼機(jī)等。
替換電源
由于超級電容器具有高充放電次數(shù)、壽命長、使用溫度范圍寬、循環(huán)效率高以及低自放電的特點(diǎn)，故很適合做替換電源。例如，白天太陽能提供電源并對超級電容器充電，晚上則由超級電容器提供電源。典型的應(yīng)用有太陽能手表、路標(biāo)燈、公共汽車停車站時(shí)間表燈、交通信號燈等，它們能長時(shí)間使用，不需要任何維護(hù)。
主電源
通過一個(gè)或幾個(gè)超級電容器釋放持續(xù)幾毫秒到幾秒的大電流。放電之后，超級電容器再由低功率的電源充電。其典型的應(yīng)用有玩具車，其體積小、重量輕，能很快跑動(dòng)。
02電動(dòng)汽車
普通電池雖然能量密度高，行駛里程長，但是存在充電時(shí)間長、無法大電流充電、工作壽命短等不足。電動(dòng)汽車的動(dòng)力源有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及燃料電池等。與之相比，超級電容器功率大，充電速度快，輸出功率大，剎車再生能量回收效率高。超級電容在新能源汽車中主要有三類應(yīng)用：一是作為動(dòng)力設(shè)備，如上海11路公交即為超級電容大巴，車輛運(yùn)行中途充電只需30秒，一次充電可行駛5~8公里，既節(jié)能環(huán)保又兼顧城市景觀；二是作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助驅(qū)動(dòng)，在汽車快速啟動(dòng)時(shí)提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，減少了油耗和不完全燃燒的污染排放；三是對制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，當(dāng)汽車需要加速時(shí)，再將這些儲存的能量釋放出來，提高了能源的使用效率。由于超級電容器的壽命是普通化學(xué)電池的100倍以上且徹底免維護(hù)，使用超級電容器作為動(dòng)力源的城市交通電動(dòng)汽車綜合運(yùn)營成本大大低于采用電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車。目前世界各國都在開發(fā)電動(dòng)汽車，主要傾向是開發(fā)混合電動(dòng)汽車（HEV），用電池為電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行提供能量，而加速和爬坡時(shí)可以由超級電容器來補(bǔ)充能量。另外，用超大容量電容器存儲制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量。在電動(dòng)車輛行駛時(shí)，起步快，加速快，爬坡能力強(qiáng)。
03可再生能源發(fā)電系統(tǒng)/分布式電力系統(tǒng)
在可再生能源發(fā)電或分布式電力系統(tǒng)中，發(fā)電設(shè)備的輸出功率具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性的特點(diǎn)。采用超級電容器儲能，可以充分發(fā)揮其功率密度大、循環(huán)壽命長、儲能密度高、無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，既可以單獨(dú)儲能，也可以與其他儲能裝置混合儲能。其優(yōu)點(diǎn)有一是循環(huán)壽命，電池循環(huán)壽命要求比較高，最好是能夠持續(xù)使用15年以上。二是大功率充放電性能。三是工作適應(yīng)溫度比較寬一點(diǎn)，盡可能在零下40和70度都有較好的充放電能力。四是安全穩(wěn)定問題，純電動(dòng)和混合電動(dòng)都出現(xiàn)過安全事故，這塊大家都非常關(guān)注。五是充放電效率，動(dòng)力電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過充電-放電-充電的循環(huán)，高的充放電效率對保證整車效率具有至關(guān)重要的作用。超級電容器與太陽能電池相結(jié)合，可以應(yīng)用于路燈、交通警示牌、交通標(biāo)志燈等。超級電容器還應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等分布式發(fā)電系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)起到瞬間功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，并可以在發(fā)電中斷時(shí)作為備用電源，以提高供電的穩(wěn)定性和可靠性。在風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)中，超級電容不會(huì)過充，過放影響壽命，充放電過程僅僅是物理層面上的變化，不會(huì)對常年密閉空間作業(yè)的輪轂內(nèi)部造成二次污染，超級電容以保持穩(wěn)定的直流電壓，保證變槳伺服電機(jī)的正常運(yùn)作。
04變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量緩沖器
超級電容器與功率變換器構(gòu)成能量的緩沖器，可以用于電梯等變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)電梯上升時(shí)，能量緩沖器向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直流母線供電，提供電機(jī)所需的峰值功率；在電梯減速下降過程中，吸收電機(jī)通過變頻器向直流母線回饋的能量。
有軌電車領(lǐng)域
超級電容儲能式有軌電車已逐步融入了城市文化，它已經(jīng)不僅僅是一種交通工具，而是一種新的生活方式。
05軍事裝備領(lǐng)域
軍用裝備，尤其是野戰(zhàn)裝備，大多不能直接由公共電網(wǎng)供電，而需要配置發(fā)電設(shè)備及儲能裝置。軍用裝備對儲能單元的要求是可靠、輕便、隱蔽性強(qiáng)。采用超級電容器與蓄電池混合儲能，可以大幅度減輕電臺等背負(fù)設(shè)備的重量；為軍用運(yùn)輸車、坦克車、裝甲車等解決車輛低溫啟動(dòng)困難的問題，還可提升車輛的動(dòng)力性和隱蔽性；解決常規(guī)潛艇中蓄電池失效快、壽命短的問題；還可以為雷達(dá)、通信及電子對抗系統(tǒng)等提供峰值功率，以減小主供電電源的功率等級。
超級電容器與普通電池的區(qū)別
1、超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。
2、超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。
3、超級電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰俊Ｔ谝恍┕β蕸Q定能量存儲器件尺寸的應(yīng)用中，超級電容器是一種更好的途徑。
4、超級電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。
5、超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會(huì)受到損害。
6、超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾百個(gè)循環(huán)
7、超級電容器用的材料是安全的和無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池軍具有毒性。
8、可以在很寬的度范圍內(nèi)正常工作（-40至＋70℃）而蓄電池很難在高特別是低環(huán)境下工作。
超級電容器與鋰電池的區(qū)別
1、超級電容器（雙電層）是電容器。儲能少。鋰電是化學(xué)電池。儲能多。超級電容具有大功率密度，鋰離子電池具有大能量密度。
2、超級電容器與鋰電池相同點(diǎn)都可以貯存能量，不同點(diǎn)是超級電容量瞬間充電瞬間放電。
3、超級電容器充放電都是物理過程，鋰電池是化學(xué)過程。
4、超級電容的最大優(yōu)勢在瞬時(shí)大電流上，而電池的優(yōu)勢在適當(dāng)電流的持續(xù)釋放上，所以二者可以互補(bǔ)使用，例如在電動(dòng)車的使用方面最佳方案就是結(jié)合使用的，電容主要用于啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)高流。
5、超容的優(yōu)勢在于其儲能過程是一個(gè)物理過程，功率密度大，電池在于其持續(xù)的放電能力，能量密度遠(yuǎn)大于超容。
超級電容器充電方法
詳見：超級電容組充電解決大電容充電方案
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