超级电容器的结构及其特点

超级电容器结构及特点超级电容器(supercapacitor，ultracapacitor)，又名电化学电容器(ElectrochemicalCapaci-tors)、黄金电容、法拉电容，超级电容器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，其储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容器是20世纪七八十年代发展起来的一种新型的储能装置。它是一种介于传统电容器与蓄电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原原理储存电能，因而不同于传统的化学电源。超级电容器其容量可达法拉级甚至数千法拉，它兼有常规电容器功率密度大，比普通蓄电池能量密度高的优点，并且具有充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，使用温度范围宽，对环境无污染等特点。因此，从某种意义上讲，超级电容器有着传统电容器和蓄电池的双重功能，弥补了两个传统技术间的空白，因此具有很大的发展潜力。超级电容器的准确名称是化学或双电屡电容器（具体名称取决于制造商），简称EDLC。超级电容器的表现与传统电容器（包括多层陶瓷电容器、钽电容器、电解电容器等）相似，但能量密度更高。这是由具有极大的电荷存储表面积的多孔炭电极与专门的电解质提供的极薄的板分离层相结合而形成的。超级电容器属于双电层电容器，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，其基本原理和其他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，如图3-6所示。超级电容器的能量储存在双电层和电极内部，当用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子取向聚集到固体电极表面，形成电极／溶液双电层，用以贮存电荷。虽然，目前全球已有许多家超级电容器生产商，可以提供许多种类的超级电容器产品，但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构，超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料。早期的超级电容器的电极采用碳，碳电极材料的表面积很大，电容的大小取决于表面积和电极的距离，这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离，使超级电容器的容值可以非常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般容值范围为1～5000F。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昀平板面积，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2000m2lg，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，该距离比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大的静电容量，这也是其超级所在。二、超级电容器特点超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出低电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流。因此，必须采用恒流或恒压充电器。超级屯容器不同于蓄电池，在某些应用领域，它可能优于蓄电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和蓄电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。超级电容器的特点如下：(1)充电速度快，充电lOs～lOmin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1～50万次，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300～5000W/kg，相当于蓄电池的5～10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，无需蓄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-40～+70℃。(8)检测方便，剩余电量可直接读出。(9)容量范围通常为0.1～1000F。注：法拉(farad)，简称法，符号是F；1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特，即1F=1C／V;1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A．S。1库仑=1安培·秒；1法拉-1安培·秒／伏特。三、超级电容器优点和缺点超级电容器的优点如下：(1)在很小的体积下达到法拉级的电容量。(2)无须特别的充电电路和放电电路。(3)和蓄电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响。(4)从环保的角度考虑，它是一种绿色能源。(5)超级电容器可焊接，因而不存在像蓄电池接触不牢固等问题。(6)相对铅酸蓄电池、镍镉电池、锂离子电池，超级电容器具有节能、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。超级电容器的缺点如下：(1)如果使用不当会造成电解质泄漏等现象。(2)和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。四、超级电容器与蓄电池的比较(1)蓄电池存储的是以瓦时计算的能量，超级电容存储的是以瓦特计算的功率。(2)蓄电池以长时间恒定的化学反应来提供电能，充电时间相对较长，对充电电流的特性要求比较苛刻。相反，超级电容昀充电是通过加载在其两端的电压来完成的，充电速度在很大程度上取决于外部电阻。蓄电池能够在较长一段时间内以基本恒定的电压输出电能，而超级电容的放电速度很快，输出电压呈指数规律衰减。(3)蓄电池只能够在有限的充／放电次数内保持良好的工作状态，充／放电的次数取决于它们放电的程度。超级电容器可以反复充／放电达数千万次（这也是超级电容器不同于电解化学的一个重要方面，它们不像电解化学的工作过程那样具有电极板充放电次数的限制）。(4)超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出，而蓄电池则受自身化学反应限制，工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。(5)超级电容器的荷电状态(SOC)与电压构成简单的函数，而蓄电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，蓄电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果蓄电池反复传输高功率脉冲其寿命将大打折扣。超级电容器可以快速充电而蓄电池快速充电则会受到损害。超缀电容器可以反复循环数十万次，而蓄电池寿命仅几百个循环。(6)蓄电池的充放电大概在l～lOh左右，而传统电容是作为滤波使用的，充放电是在0.03s，但是超级电容器就在Is左右，基本上是从0.l～lOs，这正是汽车在刹车启动时需要的，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。超级电容器的能流密度和能量密度都非常高，超级电容器是用物理的方法储能，蓄电池是用化学反应的方法来储能，所以蓄电池的反应时间会很长，超级电容器可以快速的充放电，这是它的根本原因，也是超级电容器的性能优势之所在。传统的储能系统是使用铅酸蓄电池，以光伏发电系统为例，有光照时由太阳能电池发电，无光照时由储能系统供电。当电源断开进行切换时，铅酸蓄电池需要十几秒的反应时间。这时便可由超级电容器进行辅助。由于超级电容器是将电荷储存起来，可以快速的补充和释放，而蓄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，超级电容器可以提供短时间的能量，保证电源稳定。超级电容器可以工作在-40～65℃之间，可以覆盖-20～60℃的工作温度范围和蓄电池0～50℃的工作温度。超级电容器是功率密集元件，但放电时间较短，蓄电池是能量密集型元件，放电时间较长。超级电容器的应用主要是用作备用电源和提供峰值功率，超级电容器用作备用电源时，具有高可靠性、免维护、长寿命和宽工作温度范围的特点。