超级电容器

新型储能装置

超级电容器，又称为电化学电容器、黄金电容、法拉电容，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，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。

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。

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 kW/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。

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。

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，如恒流充电、恒压充电、脉冲充电等。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。

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热源。

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，在放电的瞬间存在电压降。

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℃、相对湿度小于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。

相关研究

英国剑桥大学教授Alexander Forse团队进行了一项研究，深入探索了微孔碳电极结构与性能之间的关系，他们利用固体核磁共振技术，并结合计算模拟，对超级电容器中采用的微孔碳电极进行了深入探究。研究结果显示，微孔碳的储能性能与材料结构的无序程度密切相关。而且在结构更为无序的情况下，微孔碳的储能性能将显著提高。这项研究为制备高性能的微孔碳电极铺平了道路。2024年4月18日，相关研究成果发表在《科学》上。

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