《论超级电容器的原理及应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论超级电容器的原理及应用.doc（6页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、论超级电容器的原理及应用摘要：超级电容器属于储能装置的一种升级版，其凭借着自身使用寿命长、功率密度高、充电迅速、使用温度宽等优点而被广泛应用。在本案，笔者就超级电容器的原理及应用为主要研究对象，探析了超级电容器的分类、原理、特点及应用。关键字：超级电容器 赝电容器原理 特点及应用超级电容器的发展始于上个世纪70年代-80年代，其为一种介于传统电容器与电池间的新型储能器件。相对于传统电容器，超级电容器具备电容量大（为2000-6000倍同体积电解电容器）、功率密度高（为10-100倍电池）、充放电电流量大、充放电循环次数高（大于105次）、充放电效率高、免维修等优点。在本案，笔者以超级电容器为研
2、究对象，探析其原理、应用领域及应用效果。一、超级电容器分类就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。就电能机理而言，超级电容器可划分为双电层电容器（电容产生机理为以电解液及电极上的电荷分离为基础双电层电容）、法拉第准电容(组成成分为贵金属氧化物及贵金属电极；电容产生机理为以电活性离子于贵金属电极表面欠电位沉积现象或于贵金属氧化物电极体相及表面因氧化还原反应为依据的吸附电容。与双电层电容相比较，吸附电容完全不相同，此外，吸附电容的比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。就超级电容器电极上的反应情况及结构而言，超级电容器可划分为非对称型及对称型。对称型
3、超级电容器即为两个电极反应相同、组成相同、反应方向相反，例如贵金属氧化物、碳电极双电层电容器等。非对称型超级电容器即为两个电极反应不同、电极组成不同。超级电容器最大可用电压取决于电解质分解电压。电解质可为强碱或强酸等水溶液，亦可谓盐的质子惰性溶剂等有机溶液。通过水溶液体系，便可获取高比功率及高容量的最大可用电压；通过有机溶液体系，便可获取高电压，从而获取高比能量。二、超级电容器的原理就存储电能的机理而言，超级电容器可分为赝电容器及双电层电容器。在本案，笔者就赝电容器及双电层电容器为研究对象，探析其原理。（一）双电层电容器原理双电层电容器属于一种新型元器件，其能量储存主要是通过电解质与电极间界面
4、双层得以实现。若电解液与电极间相互接触，因分子间力、库伦力及原子间力作用力的存在，其势必会引起固液界面产生一个双层电荷，该电荷具备符号相反及稳定性强的特点。双电层电容器电极材料以多孔碳材料为主，例如碳气凝胶，活性炭纤维、活性炭粉末等活性炭，碳纳米管。通常情况下，双电层电容器电极材料孔隙率影响着其容量大小，即电极材料比表面积随着孔隙率的增高而变大，双电层电容随着孔隙率的增高而变大。需要强调的一点是，孔隙率的增高与电容器的变大间无规律性可言，但电极材料孔径大小保持为2-50mm间，将有助于孔隙率的提高，从而实现材料有效比表面积的提高，并最终实现双电层电容的提高、（二）赝电容器原理赝电容即法拉第准电
5、容，其主要是指于电极材料体相或表面准二维或二维空间内，通过欠电位沉积电活性物质，发生高度可逆的氧化或脱附、化学吸附、还原反应，从而产生一个电容，该电容与电极充电电位间存在一定关系。因一切反应均发生于整个体相内，则其产生的最大电容值相当大，例如吸附型准电容就高达2000*10-6F/cm2。就氧化还原型电容器，其产生的最大电容量更大。已经被公认了的碳材料比容值为20*10-6F/cm2，则就重量级体积相同条件下，赝电容器容量为10-100倍双电层电容器容量。现阶段，赝电容器电极材料以导电聚合物及金属氧化物为主。金属氧化物超级电容器电极材料以过渡金属氧化物为主，例如V2O5、MnO2、IrO2、W
6、O3、NiO、RuO2、Co3O4等。金属氧化物在超级电容器电极中的应用效果最佳，就H2SO4电解液内而言，金属氧化物比容能高达700-760F/g。但是，因RuO2资源稀有、价格昂贵，则其在超级电容器中的应用受到极大的限制。随着技术的发展及相关研究的深入，科研人员正在试图从NiO及MnO2等价格低廉的金属氧化物内提取出能够取代RuO2的电极材料。近年来，超级电容器电极材料新增了导电聚合物。聚合物产品电子电导率极好其电子电导率不典型数值高度1-100S/cm。通过还原反应及电化学氧化反应于电子轭聚合物链上，导电聚合物引入负电荷及正电荷中心，电极电势决定了负电荷及正电荷中心充电程度。导电聚合物能
7、量存储的途径以为法拉第过程。现阶段，能够于较高还原电位条件下高稳定低发生电化学n型掺杂的导电聚合物数量相当少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。三、超级电容器的特点（一）优点1.容量超高：超级电容器容量范围处于0.1-6000F，为2000-6000倍同体积电解电容器。2.高功率密度：超级电容器主要提供瞬时大电流，其短时断流高达几百至几千安培，其功率密度为10-100倍电池，即10*103W/kg。3.高充放电效率，长使用寿命：超级电容器充放电过程对电极材料结构无任何负面影响，且电极材料使用次数对使用寿命无任何负面影响。4.温度范围宽，即-40-70：温度对超级电容器电极材料反应速率的负面
8、 影响程度较轻。5.环保、免维护：超级电容器材料无毒、安全、环保。6.可长时间放置：超级电容器因长时间放置而导致起电压下降，但只需对其充电便可使其电压复原，且超级电容器容量性能不会因此受到任何影响。（二）缺点超级电容器的缺点主要是漏电流量大、能量密度低级单体工作电压低等。四、超级电容器的应用超级电容器凭借自身众多优点而被广泛应用于各行各业，例如充当记忆器、计时器、电脑等电子产品后备电源；内燃机内启动电力；航空航天；太阳能电池辅助电源；电动玩具车主电源等领域。在本案，笔者就超级电容器于消费电子、电动汽车及混合电动汽车、电力系统级内燃机车启动等四大领域的应用展开探讨。（一）消费电子超级电容器因其循
9、环寿命长、储能高、质量轻等优点而被广泛应用于微型计算机、存储器、钟表及系统主板等备用电源领域。超级电容器充电时间要求较短，且充电能量较大。若因主电源接触不良或中断等因素导致系统电压降低，超级电容器将起到后备补充的作用，以免仪器因突然断电而受到损坏。下图便为电路中超级电容器应用原理图：超级电容器完全可以代替电池而成为新型环保型小型用电器电源，且数字钟、录音机、电动玩具、照相机及便携式摄影机等电源都可选取超级电容器，理由是超级电容器具备经济性高及循环寿命长等优点。若将超级电容器与电池联用，其使用效果极佳，即允许长期供电、蓄电池容量大、克服超大电流放电相关局限等。若将超级电容器应用于大功率大脉冲电源
10、，尤其是某些无线技术便携装置，其应用效果不言而喻。（二）电动汽车及混合电动汽车超级电容器的独特优势大大满足了电动汽车对电动电源的需求。相对于超级电容器，传统动力电池因在快速充电、使用寿命、高功率输出及宽温度范围等方面均存在局限而不能最大程度满足电动汽车动力电源的需要。就电动车加速、启动或爬坡等高功率需求环节，超级电容器为其提供了极大的方便。如果将超级电容器配合动力电池使用，则电池受到大电流充放电的负面影响将大幅度降低。此外，在再生自动系统的协助下，可将瞬间能量回收，以提高超级电容器能量利用率。（三）电力系统随着超级电容器的问世，电解电容器已经被超级电容器逐渐取代。若将超级电容器应用于高压开关站
11、及变电站的电容储能式硅整流分合闸装置，其将发挥储能装置的作用，并能有效解决电解电容器因漏电流大及储能低等缺点而引发的分合闸装置可靠性不高等缺陷，及最大化规避相关安全事故的发生。此外，若将超级电容器取代电解电容器，其不仅能够保持原装置简单结构，而且能够有效减少电力系统维护量，并且能够大幅度降低电力系统运行成本。超级电容器在分布式电网储能中的应用面较广，且应用效果极佳。分布式电网系统通过多组超级电容器而以电场能形式将能量一一储存起来，在能量需要或紧缺情况下，再通过控制单元将存储能量释放出来，以此有效地为系统提供能量所需，从而确保系统电能平衡机控制稳定。（四）内燃机车启动通常情况下，内燃机车柴油发电
12、机组启动主要依靠蓄电池组。但因蓄电池向外放电所需时间较长，尤其是冬天，其时间要求更是严格，则其使用效果不理想，且其经济性及环保性不高。针对这一点，德国研究人员首先做出了将超级电容器应用于汽车启动上的尝试，他们试图通过超级电容器解决怠速汽车因停车导致的能源浪费等问题。实验结果显示，超级电容器蓄电池组质量仅为1/3传统车用蓄电池组，但其实现了将启动机启动扭矩提高1/2。从而有效地增加了内燃机车启动转速。结束语综上所述，超级电容器均被广泛应用于电力系统、内燃机车启动、消费电子及电动汽车及混合电动汽车等众多领域，且其应用效果极其理想。超级电容器有效地填补了传统化学电源与静电电容器间的缺陷。由此可见，超
13、级电容器具备广阔的研究价值及应用前景。参考文献：1 刘小军,卢永周.超级电容器综述J.西安文理学院学报（自然科学版）,2011,14(2):69-73. 2 刘革菊,董立新.超级电容器应用介绍J.山西电子技术,2012,(2):38-39,72. 3 余泉茂,王仁清.石墨烯制备及其在超级电容器中的应用研究J.材料导报,2012,26(15):7-13. 4 翟宇.超级电容器成组技术在风力发电系统中的应用D.北京交通大学,2011. 5 杨蓉,康二维,崔斌等.超级电容器聚苯胺电极材料的研究进展J.工程塑料应用,2010,38(5):85-88. 6 彭道福.超级电容器储能系统在光伏发电系统中的研究与应用D.北京交通大学,2011. 7 苏谢祖,颜钢锋.一种新型恒功率超级电容器快速充电机设计J.电子技术应用,2010,36(8):73-76. 8 谢金龙,李艳霞,初振明等.超级电容器储能材料的研究进展J.材料导报,2012,26(15):14-18.