超级电容器应用现状与挑战探析

李俊赤

（广东联盈控电子科技公司，广东 东莞 523000）

0 前言

超级电容器是一种利用双电层原理的电容器，电容量极大；具有高功率密度的特性，具有常规电池10倍左右的功率密度，通常可以与电池配合补偿电池的功率密度不足的问题。

双电层超级电容器（以下称为超级电容器）小功率应用：小功率应用中的超级电容器一般为10F以下，对应用于如智能电表、智能水表、智能燃气表等，其特征为提供短时脉冲功率，如电磁阀、无线抄表等功能的额脉冲功率提供。也可以应用于其他小功率短时脉冲电能提供，以解决小型电池对短时脉冲功率不足的需求[1]。

超级电容器中等功率应用：10～500F超级电容器可用于如风电变桨电源、汽车启动辅助电源、变电所操作电源等。

超级电容器大功率应用：500F以上的超级电容器可以用于电动公交车，可以实现短时完成充电的特点。

超级电容器通常采用乙氰为电解液的溶剂，挥发性高于甲醇。因此超级电容器的高温寿命大多在65℃/1000～1500h，常温寿命可以达到10年，或完全充放电100万次，最大能量密度为6Wh/kg。

1 超级电容器应用中的问题

1.1 寿命与可靠性问题

高温寿命短是超级电容器的最大弱点，在50℃环境温度下的实际寿命约一个暑期，而不是十年，很多应用证明了这个问题。

很多应用中希望超级电容器具有强放电能力，高放电电流。但是经济型超级电容器采用电解电容引线方式，如图1所示。

图1 电解电容器电极引出方式

如导针的引线方式，由于导针与铝箔之间电接触的铆花在超级电容器需要承担全部电流，由于电解电容器应用特性决定了电解电容器所流过的纹波电流相对较小，一般小于5A[2]。而超级电容器则需要短时输出10A甚至更高的峰值电流，这时铝箔与铆花之间的接触电阻将影响所承受的电流能力将制约超级电容器的可靠性；插脚式电解电容器采用导流条与铝箔铆接形式，通常每个电极采用两个导流条。可以承受约10A的纹波电流。采用插脚式封装的超级电容器通常在100F以上，应用希望可以提供峰值电流达100A甚至更高。对于导流条以及导流条与铝箔间的铆花将承受远高于电解电容器的峰值电流，与导针式超级电容器一样，存在着导流条、铆花的电流承受能力制约超级电容器可靠性的问题。

导针或插脚式封装形式的电极不仅完成电极引出功能，还要完成对超级电容器固定功能。由于导针或插脚所实现的机械固定，在遭受震动或承受外界机械应力时，会导致导针与胶塞之间的密封性变差，对于应用乙二醇作为电解液溶剂的电解电容器来说，受外力后的密封性是没有问题，但是对于应用乙氰作为电解液溶剂的超级电容器就显得密封性变差，因此常见在超级电容器电极受到外力冲击后而导致漏液现象导致超级电容器早期失效。

因此，对于大电容量（500F以上）的超级电容器对采用MAXWELL的铝箔边缘引出电极方式[3]。以解决铆花等带来的接触电阻大和电流承受问题。同时，超级电容器的机械固定不再采用电极，固定超级电容器的不再是机械强度差的导针和插脚，如图2所示。

图2 MAX WELL的超级电容器

1.2 自放电相对比较大

相对电池，超级电容器的自放电比较大，以600F超级电容器为例，数据表标注为3mA，实际可以达到1mA，从额定电压2.7V放电到1.35V的时间为225h，不到10天。可以认为有效电荷维持时间2～3天，不适于长期电荷存储。如图3。

图3 超级电容器自放电特性

图中表明超级电容器自放电为每12小时降低0.1V。这个典型值比实际的大一些，但基本相符。

而锂电池的电荷维持能力可以是0.5%/月，自放电极小。

1.3 放电过程端电压变化大

超级电容器放电特性为电容器特性，在放电过程中为线性下降特性，如图4。与电池的接近平直特性相比，电压变化范围过大，后级的功率变换器需要适应宽电压范围，或者加一级DC/DC变换器稳定电压。

图4 超级电容器与电池放电特性

超级电容器与电池匹配使用时需要将在超级电容器与电池之间加DC/DC变换器来保证两者的电压匹配。

1.4 1～60s是超级电容器的应用范围

超级电容器的性能决定了其优势应用范围，即1～60s放电时间。短于1s电解电容器具有优势，长于60s则电池具有优势。图5为5000F超级电容器的放电特性。

图5 5000F 超级电容器放电特性

在实际应用中超级电容器放电一般仅能释放到储能的一半。对应图中的完全释放电荷的时间随之减少70%。

5000F超级电容器重量为850克。相同的850克重量的动力锂电池约100Wh，对应约30Ah，按功率型在短时放电能力5C计算，30Ah功率型动力锂电池可以释放150A峰值电流，接近于同等重量的超级电容器短时放电能力，同时具有更好的放电时电压的平稳性。

相对于钛酸锂电池，850克约70Wh，对应约30Ah，持续放电能力可以持续150A放电不影响电池寿命，甚至可以900A的汽车起动电流冲击。超过超级电容器的放电能力[4]。

1.5 超级电容器的优势和劣势

相对于电池，超级电容器的优势在于相对高的功率密度和良好的低温特性。

传统电池（干电池、蓄电池）在低温环境温度（如–20℃以下）条件下将严重丢失电能，甚至无法应用。这是电池的最大弱点之一，也是超级电容器可以发挥随着电池技术的发展与应用特性的原因。

随着低温型动力锂电池以及钛酸锂电池的问世，超级电容器的低温优势不再。

超级电容器能量密度过低导致体积相对电池、锂离子超级电容器庞大、笨重，在电动公交车应用中占有重量过大。

1.6 性价比处于劣势

尽管超级电容器的价格不断下降，基本触底。大电容量超级电容器的单位价格约为35元/Wh，而动力锂电池的价格约1.5元/Wh，单位能量价格是动力锂电池的23倍之多，动力钛酸锂电池单位价格约为5～6元/Wh，超级电容器单价是钛酸锂电池的6～7倍。

除非低温，除非高放电倍率，超级电容器与锂电池相比，毫无优势可言。

近年来高放电倍率，耐低温的钛酸锂电池的开始应用，超级电容器的优势荡然无存。

2 超级电容器与锂电池性能对比

2.1 能量密度

我国动力锂电池能量密度接近240Wh/kg，而超级电容器能量密度为6Wh/kg，相差40倍。即使是实用化的动力锂电池的能量密度一般也达到150Wh/kg。低温型（可在–30℃工作不影响性能）为110Wh/kg。分别为超级电容器的25倍和18倍。

实用化的钛酸锂电池能量密度在85～90Wh/kg，是超级电容器的14～15倍。

如果仅仅是能量密度，没有充放电承受能力和最低工作温度性能，这些高性能也会被低温和高倍率充放电要求所抛弃。

2.2 低温特性

超级电容器最低工作温度–40℃，动力锂电池为–15℃，低温型动力锂电池为–30℃，钛酸锂电池据称–50℃。

2.3 放电能力与充电承受能力

超级电容器可以在5s内全部释放电荷，充电一般需要30s充满，可以在10s内充电到80%。

能量型动力锂电池的充电一般限制在0.3～1C，放电限制在1～3C；功率型动力锂电池的充电一般限制在1～2C，可以在15min内充电80%；

在快充状态下，动力锂电池组温度可以限制在42℃（满足Ip67的液冷方式）。

钛酸锂电池据称可以以5～10C倍率充放电，甚至30C倍率以上短时放电。

2.4 综合性能对比

超级电容器，动力锂电池，钛酸锂电池综合性能对比如表1。

表1 综合性能对比

从表中可以看到，在常温状态下，超级电容器在综合性能上毫无优势可言（30秒以内的短时脉冲电流除外）；最低环境温度在不低于–30℃状态下，低温型动力锂电池综合性能远优于超级电容器；环境温度低于–30℃条件下，钛酸锂电池性能远优于超级电容器。

放电时间超过1min，超级电容器由于存储电荷所限，其放电能力不如钛酸锂电池甚至不如功率型动力锂电池。

3 超级电容器越界应用

超级电容器适用的工作范围是放电时间1～60s，超过1min，超级电容器的强放电能力急剧下降。

所谓越界应用是指超级电容器作为长时间（大于60s）放电应用。这样对应的放电电流将大大减小甚至比电池放电电流还低，失去了超级电容器优势。

最典型的应用就是“站站”充电的公交车，其优势是可以利用公交车停站的短时间内对超级电容器充电，这是电池无法做到的[5]。

需要注意的是，长时间的超级电容器放电受电荷限制，放电电流随时间的延长变得很低。由图5，5000F超级电容器的60s有效放电，只能为67A，仅相当于相同重量的动力锂电池的2C放电倍率。如果是600s放电则仅仅能输出不到7A电流，远低于相同瓦时动力锂电池的放电能力。

随着钛酸锂电池在公交车上应用，完全可以采用终点交接车过程的5～10min充电方式将电池充满电。完全替代超级电容器站站充电方式，简化车站建设投资。

甚至可以采用功率型动力锂电池，在15min内充电80%。

在低温状态下，低温型动力锂电池可以在–30℃环境温度下正常工作。

4 结语

随着低自放电、高放电倍率钛酸锂电池越来越多的应用，由于电压等级完全兼容，越来越多的超级电容器应用领域被直接替代，从智能电表、水表、燃气表到电动汽车。由于低温型动力锂电池解决了低温运行问题以及钛酸锂电池的优异低温特性，使得超级电容器特性不再具有优势。功率型动力锂电池和钛酸锂电池的允许快充特性和高倍率放电特性，令超级电容器在新能源领域基本没有优势。综上所述，超级电容器基本完成了历史使命并将退出历史舞台。