您现在的位置: 首页 > 网站导航收录 > 百科知识百科知识

超级电容是什么？

电容器,电容,电极超级电容是什么？

发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

问题补充： 有何用途？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

超级电容器产生的背景

随着传统能源的日益消耗以及近年来环境问题逐渐被人们所重视，清洁能源逐步走近人类的日常生活，清洁能源行业因此得到了飞速的发展，所以对储能元件的性能的需求也日益增加了，传统的储能元件已经开始显现出其局限性，在这种背景下，超级电容器作为新一代储能元件逐渐走进了人们的视野。

什么是超级电容和其种类

1879 年，Helmholtz 发现界面双电层现象，在此基础上美国人 Becker 于 1957年发表了第一篇关于超级电容器的专利，因此超级电容的储能原理类似于平行板电容器，其电容量 C 由以下公式决定：

其中 ε 为电介质的介电常量，k 为静电力常量，S 为极板面积，d 为极板间距离（也是正负电荷间距离）。而对于超级电容器来说，S 为电极材料的表面积，d 为双电层结构中正负电荷的间距，由于超级电容的电极材料比表面积可以高达2000 m2∙g-1,而电荷之间距离又远小于平行板电容器极板之间的距离，因此超级电容器的电极材料比电容可以达到 100 F∙g-1，或者 10F∙cm-3的水平。

超级电容器主要由三部分组成：电极、电解液和隔膜。其中电极由集流体和电极材料组成，电极材料涂覆在集流体表面。集流体起到降低电极内阻的作用，常见的集流体材料有铝箔、泡沫镍等。通常电极材料由活性物质（如活性炭、过渡金属氧化物、石墨烯等）、粘合剂（聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯）和导电剂（乙炔黑）组成，针对不同活性物质，三者调配的比例不同。隔膜的作用是防止正负电极之间直接接触而发生短路，同时允许电解液中阴阳离子的通过。常见的隔膜材料有聚丙烯膜和玻璃纤维等。其结构示意图如下：

以上是最初的超级电容器模型和结构示意图，随着超级电容的发展，其定义也变得更加广泛，目前超级电容按照储能原理分为两大类：双电层电容以及法拉第赝电容。根据反应原理以及电极材料的种类，可以把超级电容分为多种类型，如图下图所示。

电化学双电层电容器（Electrochemical double layer capacitor, EDLC），简称双电层电容，由碳材料电极、隔膜、电解质组成。双电层电容采用静电储能原理，没有法拉第反应过程。发生当外加电场存在时，电解质中均匀分布的带电离子通过隔膜，被吸引至碳材料的孔隙内，聚集在电极材料表面，正极/负极电极材料吸引溶液中的负/正离子，感生电荷电性为正/负，由此形成双电层。

与 EDLCs 的静电储能相反，赝电容则利用了电极活性的法拉第过程。当给赝电容外加电场时，电极材料物质随电荷转移发生电化学过程、欠电位沉积或者在电极表面及体相中发生快速而可逆的氧化还原反应。法拉第过程提供了赝电容非常大的比电容以及能量密度。有代表性的是氧化物与导电聚合物，由于法拉第过程带来的与电池相似的氧化还原反应，他们的应用仍然受困于较低的循环寿命以及功率密度。

如上所述，静电储能和赝电容各有所长，将二者组合在一起就形成了混合型电容器，即在一个器件中同时使用电池型极片和电容型极片。

超级电容的优势

超级电容器是一种绿色环保的储能元器件，其存储能量高达静电电容器的100 倍以上，不仅如此，其功率密度可达电池的数十倍甚至上百倍，从其发展趋势来看，超级电容器具有以下优点：

①电容量高。目前已知研发出超级电容器容量最高可达 50000F。

②非常高的功率密度。超级电容器的功率密度可达电池的几十倍以上，可达10k W/kg，短时间内可以释放几百至几千安培电流。这个特点，让超级电容器可以运用于短时间内高功率的输出。

③储存寿命时间长。超级电容充电以后，放置一段时间，将会产生自放电现象，产生微小的漏电流，超级电容器的两个极板间电压降低，电容量有一定的减小，但该过程为物理变化，是由极板间电场作用下，电容器内部带电粒子转移而造成的，过程中不存在化学变化与电化学变化，所以并没有腐蚀破坏的现象发生，另外电解液、电解质与隔膜的选取是严谨的过程，电极材料、电解液与隔膜始终处于稳定的状态，所以不会对电容量有任何影响。以上分析可以得出，超级电容器在放置过程中，长期处于稳定状态，所以，超级电容器具有近乎无限长的的储存寿命。

④充电时间快。超级电容器的充电过程为双电层充放电的物理变化或者是可逆的电化学反应，可以进行大电流充电，几十秒内即可完成充电过程。蓄电池要好几个小时才能完成充电。

⑤工作温度区间宽，有低温工作能力。目前超级电容的工作温度区间为-50℃至70℃。电容量随温度降低衰减非常小，这是由于电容器充放电过程中，电荷的转移极大一部分发生在电极材料活性物质表面进行。

⑥运行稳定，无需维护，绿色清洁。超级电容器运行稳定，安全可靠，基本不需维护，具有一定的过充能力，有较长的循环充放电寿命和储存寿命。另外，电解液、电极材料与隔膜无毒无害，对环境无污染。

超级电容器的应用

超级电容器在问世的几十年间里，得到了快速发展和广泛应用。由于超级电容器具有充放电速度快，循环充放电寿命长，功率密度大，容量大，工作温度区间宽，绿色环保等优点，因而具有广大的应用前景，目前超级电容器主要应用于以下几个方面：

（1）：优秀的储能元件

目前，现有的超级电容器产品主要为 4 至 5000F，不但可以作为计算器存储器，光电动能电子手表的电源，更可以应用于大型固定电站，在缺电的地区，可以将超级电容、风力发电装置和太阳能电车组装在一起，构成混合电源，以便在无风阴天时使用。超级电容器还可应用于卫星电源，可以提高卫星的脉冲通信能力，另外，由于超级电容器具有快速充放电的能力，可以应用于电动工具等设备，也可应用于手机的快速充电。

⑵混合型电动汽车领域

我国从“九五”就开始支持研发电动汽车。科技部相继启动了“十五”和“十一五”863 电动汽车重大专项，经过近 10 年的研发，我国电动汽车技术取得了长足的发展，并实现了小批量示范运行。特别是，近期科技部等部门组织实施的“十城千辆”和“私人购车补助”工程，进一步推动电动汽车市场化进程，因此，需要对电动汽车产品化技术进行深一步的研究。

然而电动汽车的产业化发展，还是必须首选解决电动汽车所面临的技术难题。发展电动汽车目前需要解决三方面问题，电机、电控和电池。其中，电池仍是最核心的技术难题，目前世界各国都在寻求更为先进的电动车电池技术。目前适用于纯电动汽车的包括锂离子电池和铅蓄电池，然而铅蓄电池容量低、体积大、污染严重的种种缺点，使其逐渐被部分汽车企业所弃用。锂离子电池虽然近些年来在电动汽车领域广泛使用，但锂离子电池起火、燃烧甚至爆炸的隐患目前仍无法完全消除，且锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电，更重要的是生产要求条件和成本都很高。

 1/2    1 2 下一页 尾页