超级电容器_百度百科
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超级电容器
超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法。与传统电容器相比，它具有较大的容量、比能量或能力密度，较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。
超级电容器原理
超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力及原子间力的作用，使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷，称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板，电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同，可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。[1]
超级电容器特点
与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器的特点主要体现在：
(1)功率密度高。可达102～104 W/kg，远高于蓄电池的功率密度水平。
(2)循环寿命长。在几秒钟的高速深度充放电循环50万次至100万次后，超级电容器的特性变化很小，容量和内阻仅降低10%～20%。
(3)工作温限宽。由于在低温状态下超级电容器中离子的吸附和脱附速度变化不大，因此其容量变化远小于蓄电池。商业化超级电容器的工作温度范围可达-40℃～+80℃。
(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，在理论上是不需要进行维护的。
(5)绿色环保。超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害的化学物质，且自身寿命较长，因而是一种新型的绿色环保电源。[1]
超级电容器分类
对于超级电容器来说，依据不同的内容可有不同的分类方法。
首先，根据不同的储能机理，可将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。其中，双电层电容器主要是通过纯静电电荷在电极表面进行吸附来产生存储能量。法拉第准电容器主要是通过法拉第准电容活性电极材料（如过渡金属氧化物和高分子聚合物）表面及表面附近发生可逆的氧化还原反应产生法拉第准电容，从而实现对能量的存储与转换。
其次，根据电解液种类可分为水系超级电容器和有机系超级电容器两大类。
此外，根据活性材料的类型是否相同，可分为对称超级电容器和非对称超级电容器。
最后，根据电解液的状态形式，又可将超级电容器分为固体电解质超级电容器和液体电解质超级电容器两大类。[2]
超级电容器主要参数
1)寿命：超级电容器的内阻增加，则容量降低j在规定的参数范围内，它的有效使用时间是可以延长的，一般跟它的特点第4条所规定的有关。影响寿命的是活性干涸、内阻加大，存储电能能力下降至63.2%称为寿命终结。
2)电压：超级电容器有一个推荐电压和一个最佳工作电压 如果使用电压高于推荐电压，将缩短电容器的寿命，但是电容器能连续长期工作在过高压状态下，电容器内部的活性炭将分解形成气体，有利存储电能，但不能超过推荐电压的1.3倍，否则将会因电压超高而损坏超级电容器。
3)温度：超级电容器的正常操作温度是-40~70℃。温度与电压是影响超级电容器寿命的重要因素。温度每升高5℃，电容器的寿命将下降10%。在低温下，提高电容器的工作电压，电容器的内阻不会上升，可提高电容器的使用效率。
4)放电：在脉冲充电技术里，电容内阻是重要因素；在小电流放电中，容量又是重要因素。
5)充电：电容充电有多种方式，如、、等。在充电过程中，在电容回路串接一只电阻，将降低充电电流，提高电池的使用寿命。[3]
超级电容器使用注意
超级电容器使用的注意事项包括：
1)超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。
2)超级电容器应在标称电压下使用。当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短。
3)超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中。高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加。
4)外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。因此超级电容器应尽量远离。
5)当超级电容器被用做后备电源时，由于超级电容器具有内阻较大的特点，在放电的瞬间存在。
6)超级电容器不可处于相对湿度大于85%或含有有毒气体的环境中，这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀，引起断路。
7)超级电容器不能置于高温、高湿的环境中，应尽量在温度-30～50℃、小于60%的环境下储存，且应避免温度骤升骤降，因为这样会导致产品损坏。
8)当超级电容器用于双面电路板上，需要注意连接处不可经过电容器可触及的地方，由于超级电容器的安装方式，会导致短路现象。
9)当把电容器焊接在线路板上时，不可将电容器壳体接触到线路板上，不然焊接物会渗入至电容器穿线孔内，对电容器性能产生影响。
10)安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。
11)在焊接过程中应避免使电容器过热。若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的使用寿命。
12)在电容器焊接后，需要清洗线路板及电容器，因为某些杂质可能会导致电容器短路。
13)当超级电容器串联使用时，存在单体间的电压均衡问题，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响，因此在电容器串联使用时，需得到厂家的技术支持。
14)在使用超级电容器的过程中出现其他应用上的问题，应向生产厂家咨询或参考超级电容器使用说明的相关技术资料。[4]
解读词条背后的知识
段敏主编；张丽萍，邱林副主编；张大明，申彩英参编．电动汽车技术：北京理工大学出版社，2015.09
孙立，杨颖，江艳著．晶态纳米碳基材料的制备与电容储能应用：国防工业出版社，2015.12
赵同贺等编著．新型开关电源典型电路设计与应用
第2版：机械工业出版社，2015.05
苏帮成，李明高，李明等编著．现代有轨电车混合动力技术：机械工业出版社，2016.05
本词条认证专家为
副教授、副研究员审核
中国科学院工程热物理研究所
清除历史记录关闭在高能超级电容器面前，您还会选择锂电池吗？
中国储能网讯：笔者在《论一文看懂电动汽车是否能全部取代燃油车的几点错误》一文中说：电动汽车代替燃油汽车这一国策要实现，“则看智能电动汽车发展所需的智能控制系统技术、高密储能电池技术和轻量化技术的进展了”。
对于智能控制系统技术，由于互联网大伽的纷纷加入突飞猛进，天天网上都有自动驾驶电动车的新报导。对于轻量化技术，由于航空工业和高铁工业也需要此技术，轻量化技术也日新月异。看来拖后腿的就是高密储能电池技术了。
近日有报导，中科院上海硅酸盐所研制出高性能超级电容器，暂且放开不懂技术的记者“充7秒钟续航35公里”的故弄玄虚，但其能量密度达41wh/kg(基于活性物质为63wh/kg)，比现生产的超级电容器5-7wh/kg，确实是一个很大的进步，值得称赞！但是，如发条橙子所问：《中科院石墨烯电池新材料真能带飞电动车产业？》，这则是不少业内人士所关心的问题。这位记者提出的疑问归纳起来有：1、生产的成本问题；2、制备工艺工业化的可行性，特别是氮化工艺的环境影响问题；3、能量密度离电动汽车的要求还差得太远，如何解决的问题。
本文想就这些问题，介绍一下这方面技术的进展：
一、成本问题
用SiO2模板，然后采用CVD工艺用CH4做碳氮源，长出石墨烯材料，再用氢氟酸腐蚀掉模板，得到三维石墨烯块材料的工艺，确实其成本太高工业化生产难以接受。能否采用其它已有的成熟工艺降低成本呢？
本人认为，是有可能的。例如：采用溶胶凝胶法用石墨烯微片低成本地制备石墨烯气凝胶三维块。众多的研究文献已公开了这方面的技术，浙江大学高超教授研究的三维石墨烯气凝胶制备技术则是这类技术的榜样。发条橙子的文章中也指出：“3D石墨烯泡沫具有很大的比表面积，以及相应带来的良好的三维导电网络，用这样的集流体会给材料的性能带来很多加成，在这方面中科院金属所成会明院士组有不少工作可以参考。”
但是，采用溶胶凝胶法实现低成本的关键，是如何低成本地制备石墨烯微片。
现广泛采用化学液相机械剥离法制备二维的氧化态石墨烯微片成本高，还存在使用化学材料对环境影响大、需将石墨烯还原处理工艺长导电性下降、二维微片易粘结成团等等问题。一种物理液相机械剥离法制备本征还原态三维石墨烯微片技术，制备成本低，对环境友好，为三维石墨烯电极块用溶胶凝胶法低成本的制备创造了条件。
二、氮化处理对环境的影响问题
若工业化生产中采用实验室中常用的浓硝酸处理氮化工艺，确实环评很困难通过。
在某国家级产业中心工程中，已使用了一种简单、低成本地解决氮氧化物污染的技术。后巴斯夫为获得此技术和其它关键技术收购了此公司至今也已十多年，生产线还在正常生产。若中科院上海硅酸盐所的超级电容器工业化时采用此净化工艺即可解决对环境影响的问题。
三、能量密度问题
能量密度是超级电容器的“死穴”。为提高超级电容器的能量密度，国内外都投入了大量的资金和人力在研究。但是，国内外研究的路线，基本是研究新型电极材料以提高电极的比容量，或研究于电极表面产生化学反应的复合型电极，中科院上海硅酸盐所的超级电容器公开之前，超级电容器的能量密度问题还没见突破性进展。
通常超级电容器的碳电极的比容量小于250法拉/克，目前已知最高比容量的材料为氧化钌，其比容量为900法拉/克。但氧化钌的价格太贵，工业生产中不可能应用。黄富强研究员等采用氮化技术将石墨烯电极的比容量提高至855法拉/克，是目前已报导的高比容量材料的最高水平，这是难能可贵的。
众所周知，提高超级电容器的工作电压即可提高电容器的能量密度，因为电容器的储能量与电容器的工作电压的平方成正比。
超级电容器用电解液主要采用水系电解液。水系电解液工作电压一般不超过1V，但与有机电解液相比，水系电解液的导电性较好(如H2SO4溶液可达0.8S/cm)，价格较低，而且比较环保。
提高超级电容器的工作电压的研究，国内外都集中于研究新型高电压工作的电解液。采用有机电解液能提高超级电容器的工作电压(2.3-2.7V)，可用于3V的离子液体电解液也有报导，但是也因制备成本高，工业化生产也难以接受。
还有什么办法可提高超级电容器的工作电压呢？从电极结构改进提出的极化膜超级电容器，将有可能解决这一问题。
超级电容器是建立在双电层理论基础之上的非法拉第电容器。双电层理论19世纪由Helmhotz等提出。Helmhotz模型认为电极表面的静电荷从溶液中吸附离子，它们在电极/溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的对垒界面层。
为什么电极与电解液接触的表面不发生正负电的中和呢？至今还没见任何文献解释此问题。
Helmhotz双电层理论提出至今已一百多年了，更精密的实验仪器出现，你可从电泳实验中观察到，正负电荷/离子于电极、电解液界面上对垒时，接近电极的电解液层中有一电中性层出现。本人认为正是电解液中与电极接触的液膜发生极化产生了电中性层，阻止了正负电荷中和。当超级电容器的工作电压高于电解液的电解电压致电解液分解时，极化膜被破坏，将导致超级电容器损坏，因此超级电容器的工作电压受制于电解液的溶剂的分解电压。
基于这一分析，如果于电极表面预先制备一层固态可极化材料的薄膜作极化膜，在直流电场的作用下，极化膜被极化。极化膜阻止了电极与电解液中的正、负电子的交换，电解液中的离子于极化膜表面仍与电极上的电子对垒储能。因电容器的总电阻由正电极电阻/正极极化膜电阻/电解液电阻/负极极化膜电阻/负电极电阻串联组成，电容器的工作电压将分别由各个分电阻按电阻值比例承担。又因极化膜的电阻远远大于电解液的电阻，极化膜将会承担远远大于电解液分电压的电压。若电解液仍承担1V的电压，电容器则可使用较高的电压工作成为高工作电压的电容器，只需控制极化膜的分电压低于其击穿电压即可。
固态极化膜的工作电压达到3V甚至10V将是非常容易的事，你可知，美国EEStor的高介电常数薄膜电容器的介电膜工作电压已达到了3500V。极化膜超级电容器的出现将会改变储能器的游戏规则。
超级电容器与锂电池相比其优点已众所周知，如果将中科院上海硅酸盐所的41wh/kg超级电容器技术与极化膜超级电容器技术相结合，工作电压由现在有1V提高至3-10V，能量密度则可提高9-100倍。在此高能超级电容器面前，您还会选择锂电池吗？
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【2017年整理】超级电容及其应用
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什么是超级电容　　超级电容器（supercapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、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，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被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，实际上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。　　超级电容器向快速充电与大功率发展　　充电1分钟即可驱动小型笔记本电脑运行近1个半小时--在2004年10月于幕张MESSE举行的IT博览会“CEATEC JAPAN”上，这种快速充电的演示成了人们关心的话题。　　 一般笔记本电脑的充电电池要充满电至少需要1个小时。但“双电层电容器”却大幅缩短了这一时间。超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。超级电容器也可以分为两类：（1）以活性炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，通常被称作双电层电容器(DLC);(2)以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器。 　　 作为一种新型储能元件，电化学电容器的电容量可高达法拉级甚至上万法拉，能够实现快速充放电和大电流发电，并比蓄电池具有更高的功率密度(可达1,000W/kg数量级)、和更长的循环使用寿命(充放电次数可达10万次)，同时可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。 这些特点使得电化学电容器在电动汽车、通讯、消费和娱乐电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。有业内专家预测，仅就中国市场而言，目前的年需求量可达2,150万只，而整个亚太地区的总需求量则超过9,000万只。美国市场研究公司Frost & Sullivan不久前发布的一份报告也预计，2002年到2009年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入这两项数据将分别以157%和49%的年复合增长率保持高速增长。　　超级电容半永久性使用无需更换 　 　　传统的充电电池由于通过电解液与电极之间发生的化学反应来产生电力，因此充电时需要花费一定的时间。经过多次充电和放电后，电解液逐渐分解、材料变质，性能也随之下降，用上几年后大都需要更换。与此相比，电容器不产生化学反应，可以直接将电力贮存起来。不仅充电所需的时间非常短，还能在瞬间释放出大量电流，输出功率很大。由于充电和放电可反复进行数十万次以上，所以基本上无需更换，可以半永久性地使用。 　　 但原有的电容器存在能量密度低的缺点，如果电流强的话不能长时间保持。因此，像原来钮扣型电容器那样的小型产品，只能作为电子设备内存等部件的备用电源来使用。近年来，能量密度得到提高的大容量电容器相继问世，但尺寸也随之增大。因此应用范围被局限于混合动力卡车等对尺寸要求不太严格的产品。前面提到的演示活动使用的电容器就属于这一类，长宽都是20cm，厚度在5cm左右。 　　 从近来的发展趋势来看，电容器电池大幅度减小尺寸已经指日可待。因为能量密度可望提高到与镍氢充电电池相当的水平。干电池大小的镍氢电池产品已经得到广泛普及。也就是说，可快速充电、半永久性使用的充电电池也已经有望将体积减小到只有干电池的大小。　　超级电容器为何不同与传统电容器　　超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。 传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离（&10 ?）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。 这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。　　超级电容器充放电时间　　超级电容器可以快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制，甚至短路也不是致命的。实际上决定于电容器单体大小，对于匹配负载，小单体可放10A，大单体可放1000A。另一放电率的限制条件是热，反复地以剧烈的速率放电将使电容器温度升高，最终导致断路。超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数τ在1-2s，完全给阻-容式电路放电大约需要5τ，也就是说如果短路放电大
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