超级电容器的原理及应用

张劲松

随着全球能源价格的不断攀升和环境的日益恶化，探索利用环保能源成为各国科技人员努力的重点。超级电容器是近年发展起来的新型电力储能器件，具有循环寿命长、工作温度范围宽、环境友好、免维护的优点，在新型电力储能技术方面具有广阔发展前景。

一、超级电容器简介

超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，在储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可以反复充放电十万次。超级电容器可视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的全新电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使电极间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器。但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间小得多，因此电容量非常大。当两极板间的电势低于电解液的氧化还原电极电位时，界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下)；如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷响应减少。由此可以看出超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

二、超级电容器的主要特点

1、功率密度高

可达103～104W／kg，远高于目前蓄电池的功率密度水平。

2、循环寿命长

深度充放电循环可达50万次～100万次以上。

3、工作温度范围宽

目前超级电容器工作温度范围可达－40℃～+80℃，今后有望更宽。

4、免维护

超级电容器充放电效率高，对过充电和过放电有一定的承受能力，可稳定地反复充放电，理论上不需要进行维护。

5、绿色环保

超级电容器在生产过程中不使用重金属或其它有害的化学物质，且寿命长，是一种新型的绿色环保电源。

三、超级电容器的使用领域

1、后备电源

税控机、税控加油机、真空开关、智能表、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳电话时钟芯片、静态随机存贮器、数据传输系统等微小电流供电的后备电源。

2、启动电源

智能表(智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量表)作电磁阀的启动电源。

3、充电电池

在太阳能警示灯、航标灯等太阳能产品中代替充电电池；也可在手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池。

4、驱动电源

可用作电动玩具电动机、语音IC、LED发光器等小功率电器的驱动电源。

5、与其他发电或蓄电系统组合

如风能一太阳能联合发电系统，风力一柴油联合发电系统，风力一燃料电池发电系统等，在电力汇合或互补时采用超级电容器进行调节或过渡期的补充，可以提高系统可靠性与稳定性，并提高电力能源的质量。

近年来，大功率超级电容器的生产逐渐走向成熟。我国科学家经过不断努力，将比活性碳有更多贮存离子空间的金属氧化物附着在直径大约100纳米的碳纳米管上，而碳纳米管又涂在钽金属薄片上，由此形成了“纳米牧场”的结构。研究结果表明，纳米牧场的贮电能力是单个氧化锰贮电能力的10倍，所贮备的电量是现有超级电容器所使用的碳电极贮电量的两倍。纳米牧场的复杂结构可以抵挡机械性能的退化，从而避免超级电容器的性能随时间逐步下降。测试结果表明，此新装置的贮电能力在充电和耗电2万次之后仅仅下降了3％，胜过其他高性能的设计。随着国家在风能、太阳能和电动汽车等领域的不断投入，相信我国的科研工作者有望让它们尽快应用于实际中。

(作者单位：河南省新乡职业技术学院)