超级电容器的发展及应用

摘 要：超级电容器因具有循环寿命长、容量大、污染小，可快速进行充/放电等优点，在电子、军事、新能源等高新技术领域得到广泛应用。其性能主要由电极和电解质的性能水平决定。鉴于此，本篇文章综合概述了超级电容器的发展历程，并浅析了超级电容器中的关键技术，即对电极材料和电解质的相关理论和应用进行探究，由此延伸出超级电容器在高新技术领域的具体应用。

关键词：超级电容器;性能水平;发展历程;具体应用

中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）07-0093-02

1超级电容器的历史发展

电容器最早出现是在18世纪中叶，莱顿瓶被公认为所有电容器的鼻祖。1957年，美国人Becker获得了双电层电容器的专利，为超级电容器的发展奠定了基础。20世纪60年代，超级电容器不断推陈出新，并于80年代逐渐走向市场。

1969年美国标准石油公司（SOHIO）首次实现了碳材料电化学电容器的商业化。1979年日本NEC公司将超级电容器推向市场，引起人们广泛关注。20世纪90年代，俄罗斯的Econd公司和Elit公司又推出了適合于大容量、高功率场合的电化学电容器。如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃，美国、日本、俄罗斯仍处于世界领先地位。

与国外相比，我国超级电容器的研究起步较晚，始于上世纪90年代末。2008年之前，电极技术曾一度制约了我国超级电容器行业的发展。但随着核心电极技术的突破，国内相关企业又从高分子科学角度出发，自主研发干法电极技术，为中国汽车行业的超级电容应用和干法电极电池的发展奠定了坚实基础。

在超级电容的电解液方面，我国很多厂家已经占据了主导地位。有些公司正在研究将新型材料与特定的加工工艺相结合，来改善现有电解液的缺点，以进一步提升超级电容器的工作性能，拓展新的应用领域[1]。

2010年开始，国产超级电容器已陆续开始在新能源汽车、电力配网设备等领域应用。2015年之后，我国超级电容器产业在国际上，率先应用于储能式有轨电车、超级电容客车等领域;在轨道交通、风力发电、电动船舶等领域的应用规模已经达到世界领先水平。经过多年的自主创新，我国超级电容器的研发和生产能力显著提升，产品技术水平和产能规模都趋近国际先进水平[2]。

2016年，中国在世界上成立了第一个超级电容产业联盟，目前已经有176个会员单位，这个规模甚至超越了欧美及全世界电容器厂商的总和。至2020年，据超级电容产业联盟统计，最近五年中国超级电容器产业的市场增长率超过35%。其中，部分产品赶上了产业升级换代的好时机，市场增长率甚至超过了100%。

2超级电容器特性

超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间、具有特殊性能的新型储能装置。其静电容量大，使用寿命长，能实现快速充电和大电流放电，因此被称为“超级”电容器[3]。

2.1超级电容器的优点与缺点

超级电容器的优点如下：（1）超高电容量;（2）高功率密度;（3）充电速度快;（4）超长循环寿命;（5）使用温度范围宽;（6）充/放电效率高;（7）产品质量轻，绿色环保。

虽然超级电容器有如此多的优势，但在使用过程中并非每一个方面都是优越的。超级电容器的缺点如下：（1）泄漏。超级电容器安装位置不合理，容易引起电解质泄漏等问题;（2）电路。超级电容器因内阻大，仅限于直流电路的使用;（3）价格。超级电容器是新一代高科技产品，生产成本较高。

2.2超级电容器分类

根据不同的标准，超级电容器有不同的分类方式。按照储能机理的不同可分为：双电层超级电容器和法拉第贋电容超级电容器。

双电层超级电容器充/放电容量大、效率高、循环寿命长，在未来的储能系统中极具发展潜力。然而，它的能量密度低。因此，提髙它的工作电压成为关键。

法拉第贋电容超级电容器具有比双电层超级电容器更高的理论比电容，但是它存在着生产成本高、电极材料利用率低、倍率性能差以及循环稳定性差等诸多问题。

为了克服不同超级电容器的缺陷，一直以来，人们对于超级电容器的研究主要集中在开发新型的电极材料、选择合适的电解液、优化电容器的组装技术这三方面。电极材料和电解液直接影响着超级电容的性能，本篇文章着重对这两方面进行介绍。

3超级电容器电极材料

3.1碳基电极材料

在超级电容器电极材料中，研究最早、技术最成熟的便是碳材料。目前，研究较多的电极材料主要有：活性炭、碳气凝胶等[4]。

3.1.1活性炭

活性炭是超级电容器最早采用的碳电极材料。其性能优势有：（1）比表面积大;（2）孔隙结构发达;（3）化学稳定性高;（4）纯度高，导电性好，具有良好的热稳定性;（5）易于加工，价格低廉，来源丰富。

随着对碳基材料的性能要求越来越高，活性炭的后期调控改性技术越来越受到重视。活性炭的改性包括两个方面：一是表面结构改性;二是活性炭的表面化学性质改性。

3.1.2碳气凝胶

碳气凝胶是是继活性炭和活性炭纤维之后的又一理想电容器电极材料。它导电性能好、隔热性能优异、吸附能力强、化学性质稳定。

在制备过程中，研究者通过改变催化剂种类、调整反应物与催化剂配比等改性方法，制备出结构和电容性能各异的碳气凝胶，但其孔结构基本上还是中孔。因此，如果人们能够在不改变炭网络结构的基础上，给它们附加均一的微孔性或大孔性结构，这无疑将给碳气凝胶注入新的特性和应用价值。

3.2金属氧化物电极材料

金属氧化物是目前比电容和能量密度最高的材料。它原料来源丰富、形态结构多样、电阻低、功率密度髙，已成为公认首选的电极材料。

3.2.1贵金属氧化物

氧化钌电极材料是最先被研究的金属氧化物电极材料，也是迄今为止性能最优异的法拉第赝电容材料。但是，钌资源有限且价格昂贵，寻找其替代材料或添加其他材料以减少其用量，成为主要研究方向。目前，将氧化钌与有相似功能且廉价的其他材料复合，组成复合氧化钌电极材料逐渐成为一种趋势。

3.2.2过渡金属氧化物

贵金属氧化物及其复合材料的高成本大大限制了它的应用。因此，研究者们正在努力研究用其他过渡金属氧化物来代替贵金属氧化物。

比如：镍电极材料具有高比电容、良好的倍率性能及稳定性，且储量丰富、价格低廉、绿色无毒，是一类极具开发潜力的电极材料。但其电位窗口相对较低，如何增加电位窗口以满足实际商业应用求，仍然是一个有待解决的问题。

3.3导电聚合物电极材料

导电聚合物又称导电髙分子，它因具有理论比电容大、导电性好、成本低、易于大规模生产等优点，受到广泛关注。

随着对轻量级的先进储能设备的要求日趋强烈，导电聚合物因具有较高的灵活性和易制造性，被认为是在柔性超级电容器应用中最有发展前景的电极材料之一。为了使导电聚合物材料的电化学性能、热稳定性和力学性能满足实际需要，人们致力于研究通过调整聚合方法、表面活性剂的类型和含量等来提高其结晶度，从而控制其微观结构和表面形态。

4超级电容器电解液材料

4.1水系电解液材料

水系电解液电导率高、阻抗低，在可承受性、导电性、热容量和环境影响方面具有很大的优势。所以，直到现在水系电解液在超级电容器的应用中占比依然很大。

但是，水系电解液的主要缺点是受到水分解的制约，电容器的电化学窗口较窄，负极电位在0V左右发生析氢反应，正极电位在1.23V左右时发生析氧反应，气体的生成会导致超级电容器的损坏。因此，扩大工作电压窗口提高能量密度是目前的研究趋势。除此之外，另一个难点是对操作温度的限制，需要控制在水的凝固点以上沸点以下。

4.2有机系电解液材料

有机系电解液材料由于其2.5～2.8V的高工作电压，在超级电容器中应用也很广泛。

但是，使用有机系电解液的超级电容器仍然存在许多有待解决的问题：一是使用有机电解液价格昂贵，比容量没有水系超级电容器高。二是要考虑电容器的安全问题，譬如电解液的可燃性、挥发性和毒性等。三是有机系超级电容器的生产和组装过程对环境要求十分严格，增加生产成本。因此，目前对于有机电解液的研究主要集中在开发新型电解质盐和优选有机溶剂两个方面，使电解液具有更加优异的性能[7]。

5超级电容器的应用

超级电容器因其有众多的优点，在很多领域得到成功应用。比如，在电子行业，可用作存储器、电脑等设备的备用电源，也可作为录音机、便携式摄影机等小型电器的电池;在电动汽车及混合动力汽车领域，超级电容器能较好地满足电动车，特别是混合动力型电动车在启动、加速、爬坡时对功率的各种需求……下面对在电力系统中的应用进行详细介绍[5]。

从全球来看，提高电力系统的运行可靠性越来越受到重视。因此，提高存储器容量成为一种重要的解决方法，特别是对那些能源的获取途径不完全可靠的情况更是如此，比如风能或太阳能发电[6]。

目前，就需要哪種能量存储的问题，已经开展了很多的研究。电化学电容器为大容量存储提供了一种解决方案，尤其是釆用水系电解液的非对称型电化学电容器。

2009年，国家电网公司公布了 “智能电网”发展计划，超级电容器在智能电网中的应用也日趋增加。在新能源消纳方面，输出功率变化较大的可再生能源在发电并网时，超级电容器能够有效降低电网中的短时间（<1min）功率扰动。在微电网运行方面，超级电容器能够为“并网运行”和“孤岛运行”两种模式之间的切换提供短时供电，避免供电波动。同时，当微网中存在电梯、高铁站等大负荷站点时，超级电容器的加入可以缓解大启动电流对电网的冲击。在配电网能量调节方面，超级电容器的应用有助于调频、调相和调压，同时，它还参与有功/无功补偿以及谐波补偿。

6结语

超级电容器以超大容量和高储能密度成为新型“绿色”储能元件，在众多领域中发挥了极大的作用。电化学电容器技术虽然已经得到了很好的积累和发展，但尚有许多需要解决的问题，如：它的工作电压低、内阻大等。

今后，超级电容器的研究重点仍然是通过开发和设计新材料，得到更加理想的电极材料和电解液，从而提高超级电容器的性能，制备出性能更好、价格更低、使用更便捷的新型产品以满足市场需求。

参考文献

[1] 魏颖.超级电容器关键材料制备及应用[M].北京：化学工业出版社，2018.

[2] Francios beguin，Elzbieta Frackowiak.超级电容器：材料、系统及应用[M].张治安，译.北京：机械工业出版社，2014.

[3] John M.Miller.超级电容器建模、特性及应用[M].韩晓娟，李建林，田春光，译.北京：机械工业出版社，2018.

[4] 张紫瑞，赵云鹏，张颖，等.超级电容器电极材料研究进展[J].化工新型材料，2019，47（12）：1-5.

[5] 高玉双，张静，刘鹏.超级电容器的技术特点与市场应用研究[J].科技风，2020（2）：62.

[6] 吴俊杰，周舟，查方林，等.超级电容器及其在电力系统中的应用[J].电源技术，2016，40（10）：2095-2097.

[7] 陈斌，吕彦伯，谌可炜，等.固态超级电容器电解质的分类与研究进展[J].高电压技术，2019，45（3）：929-939.

收稿日期：2020-02-10

作者简介：杨淳冰（1996—），女，北京人，硕士研究生，研究方向：电力系统及其自动化。