超级电容器在新能源汽车中的应用探析

林诗雅

摘 要：在这个科技蓬勃迅猛发展的新时代，针对能源过分开发使用如今面临不可再生资源严重匮乏的问题展开论述。从务实的环保角度出发，具体而详细地阐述超级电容器在这个人类面对巨大生存危机的时代应运而生的发展趋势，对超级电容器的基本工作原理进行解释。进一步把新能源汽车和它顺应科技进步进行有机结合。文章不仅从理论层面进行了详细阐述同事也从实际相结合的角度出发，解析了新能源汽车产业里的超级电容器的应用情况，希望可以为超级电容器在新能源汽车中的应用起到借鉴作用。

关键词：超级电容器 工作原理 新能源产业

Application Analysis of Supercapacitors in New Energy Vehicles

Lin Shiya

Abstract：In this new era of rapid development of science and technology， this paper discusses the problem of excessive development and use of energy， which is now facing the serious shortage of non-renewable resources. From the perspective of pragmatic environmental protection， this paper specifically and in detail expounds the development trend of supercapacitors in this era of huge survival crisis for human beings， and explains the basic working principle of supercapacitors. Further the article combines new energy vehicles with its compliance with scientific and technological progress. The article not only elaborates on the theoretical level， but also analyzes the application of supercapacitors in the new energy vehicle industry from the perspective of combining practice， hoping to play a reference role for the application of supercapacitors in new energy vehicles.

Key words：supercapacitors， working principle， new energy industry

1 超级电容器的简介

一般情况下，超级电容是由两个串联而成的电容量相等的单元组成，一个是超级电容器单体，另一个就是电极材料——炭材料，它们之间通过导电剂连接在一起。一般电池电超级电容器的容量可达10kw/kg或更大，没有一般电池可比。这与超级电容器在电化学上的优异表现有着很大的关系。主要原因是超级电容器在采用多孔碳材料作为电极时，在储存能量过程中，没有任何化学反应，且属纯物理过程，电荷被吸附或者脱附得尤为迅速此时可理解为其充放电速度尤其迅速，并能维持大电流的输入和输出。[1]

从2007年到现在新能源电动车的种类不断增加。其中最常见的就是混合动力车和纯电动车中的超级电容与锂电池的配合使用，这也成了当今电动车发展的主要趋势之一。以超级电容器为启动电源，同时，爬坡过程中充当动力电源，高效回收刹车过程中的能量，电池承担着长程续航的责任，这一结合就是很合理的结合，上述均属超级电容器，应用前景很好。[2]

1.1 超级电容器的工作原理

十九世纪末，Helmhotz等双电层理论，在对应模式下得出结论，溶液中不规则分布的离子在金属表面产生净电荷，远离电极的某一位置，所吸引离子排列成界面层，在这个进程中，界面层上的电荷和电极表面上电荷的量是同一符号的相反方向，将形成双电层。双电层电容器结构组成如图1

其构成是电极溶液界面内聚集的所有电荷，其电位施加范围内不产生法拉第反应。

这里极化过程包括两种：

（1）电荷传递极化

（2）欧姆电阻极化。

充放电原理是：在给溶液加电场之后，其中有离子发生迁移，正负电极各自集聚阴阳离子，这时双电层就形成了；当负极板上吸附有正电荷或负电荷颗粒，由于静电斥力作用使其向外移动，同时也将负电位粒子排斥在外。当所加电场取消时，正负电荷将和相反电荷离子互相吸引，从而形成电位差。该效应称为电化学充电或极化作用，它导致了溶液内部电化学反应和能量传递的变化，从而使电流密度增加。而电流产生来源于外电路和两极连通过程中电荷的迁移，离子在溶液中迁移，呈现电中性。该研究发现在电池放电过程中该材料可将锂离子从负极转移到正极，且能够有效提高锂离子利用率和延长使用寿命。该充放电过程为纯物理过程，从而能达到较高充放电效率，但循环寿命稍长，这些优势均利于它在新能源汽车上的推广应用。[3]

1.2 超级电容器的主要特点

超级电容器是新型储能元件，定位在传统电容器与电池之间，他提供的比能量相较前者更高，提供的比功率相较后者更高，除此之外，它还拥有比两者更长的循环寿命。

1.2.1 优点

（1）可以容纳的能量很高。同体积超级电容器的容量是电解电容器的2K～6K倍。功率密度高。相較于电池，可提供瞬间大电流，电流强度可达上百甚至上千安培，且功率密度达到10×10W/kg，是电池的十到一百倍。相较于需要耗费三到五小时时间进行充电的化学电池，超级电容是三秒到15分钟，这对比非常大。[4]

（2）寿命长且充放电效率高。通常而言，在使用过程中，材料结构不会因充放电受到影响，因此其使用寿命的长短也不会受循环次数影响。

（3）使用温度范围宽，达－40～+80℃。电极材料反应速率对温度高低改变所造成的影响不太敏感，比如大卡车低温启动。

（4）绿色环保能源。它具有节能环保的特点，对于使用者来说没有负面影响，更不会破坏生态环境，是一种健康绿色的能源。

1.2.2 缺点

超级电容器虽然有着明显的优势特点，但不意味着它就是完美无缺的。

与蓄电池相比，以前的其能量密度很低，只能通过体积的堆积来弥补。直到2007年在那个时期，中国很多地区都在大力推广新能源汽车，混合动力客车很快就在满街跑了，但是这却还是没有从根本上解决能量密度低的问题，到了2017年，能源汽车基本上已经全面采用了纯电动模式，锂电池的技术的发展也日新月异，无论是功率密度还是循环寿命都有了很大的进步，成本的控制也得到了进一步的降低，在这竞争激烈的十年里，maxwell研究出了干电池技术，这种技术能将超级电容器的能量密度提高到300Wh/kg。

2 超级电容器构成

2.1 电极材料技术

碳材料作为常用的电极材料，它的技术成熟，价格有优势，得到了很好的商业化。

在众多种类的碳材料当中，石墨烯的優势很明显，首先石墨烯有非常大的比表面积，而且不需要如此依赖孔的分布，它的表面和层片结构十分利于加快离子的脱附吸附速率，并且他有非常不错的导电性。综上所述，这些优势让它能广泛地应用于超级电容器的电极材料当中。

除了石墨烯，制作电极的常见材料还有具备较高比热容的过渡金属氧化物，这一特性是选用此类材料的主要原因。举个例子，比如二氧化锰，它价格低廉且没有毒，在电解液和电极界面快速发生可逆的氧化还原反应，因此其应用很受关注。[5]

2.2 电解液的分类

超级电容器电解液进行分类时一般分为以下几种，分别是水系、离子、固体及凝胶以及有机电解液。

水系电解液又被称之为酸性电解液（H2SO4水溶液体系），碱性电解液（KOH水溶液体系），中性电解液（KCL水溶液体系）。

缺点：分解电压低、低温性能差、电化学窗口窄。

优点：低内阻和高电导率。

离子液体电解液是完全由离子组成的，因为阴阳离子和空间阻碍使其具有较低的离子静电势。

优点：较高的电导率和电化学窗口宽，且具有不挥发、不爆炸、无蒸气压的特点，

缺点：粘度过高，且材料成本较高。

对于固体或凝胶电解液，固体电解质或凝胶聚合物电解质由聚合物、电解质盐、低分子有机溶剂组成。

缺点：电导率和溶解度较低，电极电解质间接触差。

优点：表现在较高的工作电压和比能量。

有机电解液主要是超级电容器用离解能力较强的有机溶剂，生成高电导率电解质和少量添加剂构成，提高电容器性能。目前使用最多的是有机溶剂碳酸和电解质添加剂。无机溶剂碳酸有丙烯酯（PC）乙腈（AN）等，所述电解质为四氟硼酸四乙基氨、双草酸硼酸锂及其他；添加剂有磷酸三丁酯等。添加剂包括导电添加剂阻燃剂和过充保护剂。

优点：工作电压较高，工作温度范围宽；

缺点：电导率较低，溶剂易挥发。

3 超级电容器在新能源汽车中的应用模式

3.1 纯电动力模式

该模式策略以超级电容器电源电机为主，电机在汽车行驶时驱动车辆，在制动时则转化为发动机回收能量。该模式的汽车就是仅通过电力来进行驱动的，因此这种电动车的原理相对简单且能够实现0排放。但是由于这种车型需要依赖充电桩进行充电，且完成充电需要花费较长的时间，它的续航能力较差，充满电可以行驶的距离比较短，适用于在城市中作为代步工具。

纯电动力模式以可见光区域与近红外区域互补吸收较好的钙钛矿材料与有机太阳材料为活性层材料，分别应用于后电池与前电池中，以及全溶液处理方法，制备出两个末端叠层太阳能电池，它有17.16%光电转化效率，开路电压为1.64V。同时使用了新型正极及固态聚合物电解质，制备出具有大电压窗口，优良循环稳定性的全固态不对称超级电容器。由全溶液处理高导电率有机聚合物薄膜联接而成，成功实现了叠层太阳能电池和全固态非对称超级电容器的集成，配制出一种便携式便携，无导线连接自充电电源组。测试结果表明，所设计的自充电电源具有较好的能量密度、良好的倍率特性、较长的放电时间及稳定的充放电性能等优点。所述自充电电源组能够将太阳能电池转换后的太阳能直接存储于超级电容器内，以供新能源汽车充电。

3.2 混合动力模式

此模型在应用过程中，超级电容器在发动机中起辅助作用。当汽车启动后，发动机通过发电机将动能转化为电能，然后经过逆变器变成直流输出到电动机上。汽车启动后，车速若达不到设定值，然后由电机分别带动。若车辆在运行途中遇到路面状况较差的时候，可以启动超级电容器，通过超级电容器为电动机提供电能。行车途中，速度达到设定值后电机停机，这时的车是以发动机为动力，在该工艺中多余功率将对超级电容器进行充电。在车辆停止后，超级电容器可以自动向蓄电池放电。

想要在新能源汽车领域得到广泛的应用和发挥，相应的技术还需要更进一步。从当前来看，超级电容的应用还止步于辅助功能，电池才是主动力，包括燃料电池汽车和混合动力汽车在内，用于能量储存的设备还是电池。而超级电容则是作为其补充和辅助，在使用过程中起到缓冲的作用，同时帮助延长电池寿命，增强充放电效果。虽然超级电容在能量领域的发展潜力已经得到了众多汽车制造商的普遍认可，但是就当前而言，对于锂电池和镍氢电池的依赖还是不能摆脱食物，因为超级电容器有两个不可忽视的缺点一个是造价高，一个是能量密度低。

在电动汽车内部，借助经济有效的混合储能系统，几种可再生能源可集成在一起，进而提高效率。超级电容是一种由电极材料构成的电化学装置，它将电能转换成储存在电解液中的能量，并以类似蓄电池的形式被存储于超级电容器中。其中相对燃料电池及电化学电池而言，超级电容器有很多的优点，例如功率密度高、充电时间缩短，循环寿命延长。此外，由于它比传统汽车中使用的蓄电池体积更大，因此能够降低车辆重量。顶棚上利用光伏电池采集太阳能的现象十分普遍。这些技术已经被应用于诸如纯电动客车等大型车辆上。但是，使用相同的装置存储这种能源，或者将会在混合动力电动汽车方面改变规则。太阳能超级电容器是一种用于收集和储存太阳能的电容器。它可以通过与锂离子一样的化学键结合到金属负极上而获得巨大容量。在超级电容器领域，碳材料作为电极材料应用最为广泛，碳纤维（CF）已被证明是双电层电容器（EDLC）的最佳候选材料。得益于一维性，CF在电荷输运方面表现出优越的特性，由于它的纤维表面有许多气孔，对离子吸附能力强。CF，环氧树脂（ER）和其他导电聚合物，结合金属氧化物，如ZnO/CuO，这种结合可以作为高性能SSC电极使用。

3.3 绿色环保模式

在國内，安凯是能源客车的领先品牌，该品牌在新能源的核心技术研发上投入了大量的人力和物力，它采用的是锂离子电池超级电容器动力体系。是我国唯一的电动客车整车系统集成工程技术研究中心，目前，其成熟产品包括纯电动客车、插电式混合动力客车以及氢燃料电池客车，充分地把握地把握住市场份额，并在此基础上不断地研究创新。通过氢气和氧气反应实现动力来源的氢燃料电池汽车，由于行驶过程中燃料反应的产物是水，所以是一种较好的绿色新型环保汽车。

4 总结

对于超级电容器而言，功率特性的优秀是其最大的特色之一，也是其应用于电动汽车行业的最大优势，但是其本身的短板也不容忽视，功率和能量密度在内，都存在着明显的欠缺，还有着非常大的提升空间，除了性能短板，在价格方面也不具有足够的竞争力。在未来，随着相关技术的深入研究和发展，超级电容器的性能必将得到进一步提升并在未来的电动汽车发展中占据重要的地位。

参考文献：

[1]杨洪明，陈博文，王懂，等. 局部阴影遮挡下太阳能电池-超级电容器件阵列建模及其缺失电流协同补偿方法[J]. 电力自动化设备，2021.

[2]曹玥，张改梅，李现红，等. 三维石墨烯的制备及其在超级电容器中的应用[J]. 包装工程，2021，42（15）：11.

[3]聂文琪，孙江东，许帅，等. 纺织基超级电容器研究进展[J]. 复合材料学报，2022，39（3）：12.

[4]杨洪明，王颖杰，陈博文，等. 局部阴影条件下太阳能电池-超级电容串联阵列电流补偿方法[J]. 电力系统及其自动化学报，2022，34（4）：10.

[5]邢增强，崔文朋，等. 基于超级电容的太阳能电源管理系统.电子技术，2021.