超级电容器基本原理及性能特点中心议题：超级电容器的原理、结构和特点 Maxwell超级电容器结构 超级电容选型与应用超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池 相同，因此也有称作“电容电池”。 超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入 量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一 样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。超级电容器原理电化学双层电容器（EDLC）因超级电容器被我们所熟知。超级电容器利用静 电极化电解溶液的方式储存能量。虽然它是一个电化学器件，但它的能量储存机制 却一点也不涉及化学反应。这个机制是高度可逆的，它允许超级电容器充电放电达 十万甚至数百万次。超级电容器可以被视为在两个极板外加电压时被电解液隔开的两个互不相关 的多孔板。对正极板施加的电势吸引电解液中的负离子，而负面板电势吸引正离 子。这有效地创建了两个电荷储层，在正极板分离出一层，并在负极板分离出另 外一层。传统的电解电容器存储区域来自平面，导电材料薄板。高电容是通过大量的 材料折叠。可能通过进一步增加其表面纹理，进一步增加它的表面积。过去传统 的电容器用介质分离电极，这些介质多数为：塑料，纸或薄膜陶瓷。电介质越薄 在空间受限的区域越可以获得更多的区域。可以实现对介质厚度的表面面积限制 的定义。超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料。这种材料的多孔结构，允 许其面积接近 2000 平方米每克，远远大于通过使用塑料或薄膜陶瓷。超级电容 器的充电距离取决于电解液中被吸引到电极的带电离子的大小。这个距离（小于 10 埃）远远小于通过使用常规电介质材料的距离。巨大的表面面积的组合和极小 的充电距离使超级电容器相对传统的电容器具有极大的优越性。超级电容可以用做后备电源，类似于UPS，在系统突然断电后，负责在极短时间内为系统提供能量。在这种应用中，需要后备电源有快速的启动时间。由于超级电容是物理反应的方式储存电能，充放电速度快，相对电池有着更为快速的 响应时间。Ava/lable PowerRequired PoiverUltracapacitor Backup Power图1超级电容用作备用电源示意图电池的充放电大概在1小时到10个小时左右，而传统用于滤波的电容，充放 电在 0.03 秒，超级电容充放电在 1 秒左右，基本上是从 0.1 秒到 10 秒，这个时间 正好是汽车、吊车刹车或启动的时间，其他设备比如风力发电中，风轮机变桨的时 候要提供能量也是在这个时间段。UHracapacdor Peak Power在风力发电风轮机变桨时、机车、电动机、汽车、吊车启动时需要的能量远 大于其正常工作时需要的能量，超级电容可以辅助电池、发动机等动力系统提供峰 值功率，从而减轻电池或发动机的负担。没有超级电容时，在负载启动、维持运行 和终止的过程中，能量全部由电池或发动机供给。如果加入了超级电容，负载启动 时需要的峰值功率可以由超级电容承担。AvailablePowerRequired Povjer图2：超级电容提供峰值功率示意图在机车、电动机、汽车、吊车刹车时，超级电容可以重新捕获能量。这样，加入了超级电容做辅助电源，可以提高能量利用效率，延长电池或发动机寿命。同时相对于没有超级电容的动力系统，电池或发动机不需要提供峰值功率，因而尺寸可 以更小。下图是超级电容辅助电池、发动机的工作模式示意图。PEAK POWER DEMANDPRIMARY ENERGYSOURCE(Batteries, Engine, Fuel CelJ)ENERGY STORAGE；POWER DELIVERYCOMPONENTS(Ultracapa ci tors图3：没有超级电容的动力系统工作模式CHARGtNGAS HEEDEDPRIMARY ENERGYSOURCE(Batteries, Engine, Fuel Cell)CONTINUOUS LOW POWER ENERGY TOMEET AVERAGE POWER REQUIREMENTS图4：超级电容用作辅助电源的动力系统工作模式超级电容器内部结构超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，他们都包 含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。Electrolyte图 1. 超级电容器结构超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。这是由超级电容器包装的几何 结构决定的。对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件 的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终 端，从而扩展电容器外的电流路径。对于圆形或圆柱形封装的产品，电极切割成卷轴方式配置。最后将电极箔焊接 到终端，使外部的电容电流路径扩展。Maxwell 超级电容器结构图 2. 超级电容器电极Efectrode-The core of 鬲 winning solutionMaxell propri-elary etectrode processThe Electrode Is of: Al u mint m Carbon Resin (the binder) Paper (separator)The Blend of Carbons and Composition of Binder.are proprietary图3.电极制胜的关键如上图2所示，为Maxwell超级电容的电极，这被认为是他们超级电容器技术的最 关键部分。这个电极是由铝，碳元素制成，其中树脂作为粘合剂，纸作为隔膜。超级电容器的特点(1)充电速度快，充电10秒10分钟可达到其额定容量的95%以上；2) 循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达150万次，没有“记忆 效应”；3) 大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率90%；(4)功率密度高，可达300W/KG5000W/KG，相当于电池的510倍；5) 产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的 绿色环保电源；6) 充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用 免维护；(7)超低温特性好，温度范围宽-40C+70C；8)检测方便，剩余电量可直接读出；(9)容量范围通常0.1F-1000F 。法拉（farad），简称法”，符号是F1 法拉是电容存储 1 库仑电量时，两极板间电势差是 1 伏特 1F=1C/1V1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1AS。1 库仑 =1 安培 秒1法拉=1安培秒/伏特超级电容与电池的比较相对铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池，超级电容具有节能、超长使用寿命、 安全、环保、宽温度范围、充电快速、无需人工维护等优点。本文介绍超级电容与 其他储能产品的性能比较，例如与各种电池的比较，替代的可能性。之所以叫超级电容，是因为超级电容的容值都是法拉级的，且可以很快提供一个充放电，这是传统的电容或者电池做不到的。下面介绍了各种产品不同的应用范围，横坐标是能流密度，纵坐标是能量密度，从中可以看到哪个地方是电池的应用 范围，哪个地方是传统电容的应用范围，哪一块是超级电容的应用范围。1CQ10&JMi-Cad 怕uthJum BatterydnveiiitianEi1IbooskafIt rata pad to 110010001000JPz打 Denaily WKgead Ati图2.超级电容和其他储能技术的比较我们知道电池的充放电大概在 1小时到 10个小时左右，而传统电容是作为滤 波使用的，充放电是在 0.03 秒，但是超级电容就在 1 秒左右，基本上是从 0.1 秒 到 10 秒，这正是汽车比如刹车起动的时候要用的，当然任何的设备比如风能变桨 系统，变桨的时候要提供能量也是在这个时间段。超级电容的能流密度和能量密度 都非常高。超级电容是用物理的方法储能，电池是用化学反应的方法来储能，所以 电池的反应时间会很长，超级电容可以快速的充放电，这是它的根本原因，也是超 级电容的性能优势之所在。传统的储能系统是使用铅酸电池。以风力发电为例，有风时由风力发电机发电， 无风时由储能系统供电。当电源断开进行切换时，铅酸电池需要十几秒的反应时间 这时便可由超级电容进行辅助。由于超级电容是将电荷储存起来，可以快速的补充 和释放，而电池则需要经过化学反应的方式进行充放电。在这十几秒的时间里，超 级电容可以提供短时间的能量，保证电源稳定。超级电容可以工作在在-40C65C 之间，可以覆盖PC -20C60C的工作温度范围和电池0C50C的工作温度。超 级电容是功率密集元件，但放电时间较短，电池是能量密集型元件，放电时间较 长。Lead cidNickel CadmiumtQ000 load cyd#& (40% 0XJ)Lithium IonUltra capacitors图3.超级电容与电池的充放电次数比较超级电容的应用主要是用作备用电源和提供峰值功率。超级电容用作备用电源 时，具有高可靠性、免维护、长寿命和宽工作温度范围的特点。由于超级电容能够 进行高功率的充放电，所以可以将火车，城市轻轨的刹车能量储存起来，加速时提 供峰值功率，或者可以在吊车起吊时，电动机启动时提供峰值功率。UC - Physical energy stpraaeCharge contained in electrolyteAdsorption of ionSolvated ionsConductivity, a(SOC)E = f(electrode surface)UC = ultracapacitorSOC= stcie-of-cti largeBattery- Chemical gnbrgy 叙帶Charge contained in electrode massOrtital electron exchange REDOX kxi intercalationo=constantE=f(e!&ctrode mass)RCDOX = rediiGtkin-axidatlQn roactkon图4.超级电容与电池的储能原理比较如上图 4 所示，超级电容和电池在储能原理上最大的不同在于超级电容利用的 是物理的储能方式而电池利用的是化学的储能方式。同时，超级电容和电池的储能 的决定因素也不同。AttributeUnitLittliumUC S Li |Powei densitvkW/L103 二1Energy如卿Wh/L6200Cold TemperatureCieoo10kW/L)而