詳解:超級電容器儲能技術及其應用

編者按：超級電容器是近年發展起來的一種新型儲能元件，具有功率密度高、壽命長、無需維護及充放電迅速等特性。敘述了超級電容器的分類、儲能原理和性能特點，介紹了超級電容器目前的應用領域及應用中需要關注的問題。

　　超級電容器，也叫電化學電容器，是20世紀60年代發展起來的一種新型儲能元件。1957年，美國的Becker首先提出了可以將電容器用作儲能元件，具有接近於電池的能量密度。1962年，標準石油公司(SOHIO)生產了一種工作電壓為6V、以碳材料作為電極的電容器。稍後，該技術被轉讓給NEC電氣公司，該公司從1979年開始生產超級電容器，1983年率先推向市場。20世紀80年代以來，利用金屬氧化物或氮化物作為電極活性物質的超級電容器，因其具有雙電層電容所不具有的若干優點，現已引起廣大科研工作者極大興趣。

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　　1超級電容器的儲能原理

　　超級電容器按儲能原理可分為雙電層電容器和法拉第準電容器。

　　1.1雙電層電容器的基本原理

　　雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當電極和電解液接觸時，由於庫侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現穩定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲能是通過使電解質溶液進行電化學極化來實現的，並沒有產生電化學反應，這種儲能過程是可逆的。

　　1.2法拉第準電容器的基本原理

　　繼雙電層電容器後，又發展了法拉第準電容，簡稱準電容。該電容是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度的化學吸脫附或氧化還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。對於法拉第準電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質中由於氧化還原反應而將電荷儲存於電極中。

　　2超級電容器的特性

　　超級電容器是介於傳統物理電容器和電池之間的一種較佳的儲能元件，其巨大的優越性表現為：①功率密度高。超級電容器的內阻很小，而且在電極/溶液界面和電極材料本體內均能實現電荷的快速儲存和釋放。②充放電循環壽命長。超級電容器在充放電過程中沒有發生電化學反應，其循環壽命可達萬次以上。③充電時間短。完全充電只需數分鐘。④實現高比功率和高比能量輸出。⑤儲存壽命長。⑥可靠性高。超級電容器工作中沒有運動部件，維護工作極少。⑦環境溫度對正常使用影響不大。超級電容器正常工作溫度範圍在-35～75℃。⑧可以任意並聯使用，增加電容量;若採取均壓後，還可串聯使用，提高電壓等級。

　　3超級電容器儲能技術應用

　　超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經濟各領域用途十分廣泛。各發達國家都把超級電容器的研究列為國家重點戰略研究項目。1996年歐洲共同體制定了超級電容器的發展計劃，日本「新陽光計劃」中列出了超級電容器的研製，美國能源部及國防部也制定了發展超級電容器的研究計劃。我國國家863計劃制定了電動汽車重大專項(2001)超級電容器課題。以下介紹超級電容器儲能技術的應用現狀。

　　3.1電車電源

　　由於超級電容器具有非常高的功率密度，因此可以很好地滿足電車在起動、加速、爬坡時對功率的需求，可以作為混合型電動車的加速或起動電源。美國通用汽車公司已將Maxwell Tech-nologies公司生產的Power Cache超級電容器組成並聯混合電源系統和串聯電源系統用在汽車上。文獻[3]研究表明，利用超級電容器與蓄電池並聯作電源可以減少蓄電池的尺寸、重量，並延長蓄電池的使用壽命。

　　2004年7月，我國首輛超級電容器公交車及其快速充電候車站系統投入試運行。該系統解決了無軌電車帶來的視覺汙染、機動性差和規劃難等問題，以零排放、低噪聲的性能，改善了公交汽車尾氣排放給城區帶來的空氣汙染，並避免了傳統蓄電池的二次汙染，延長了使用壽命。

　　3.2電子類電源

　　超級電容器不僅可以用作光電功能電子手錶和計算機存儲器等小型裝置的電源，而且還可以用在衛星上。衛星上使用的電源多是由太陽能與電池組成的混合電源，一旦裝上了超級電容器，衛星的脈衝通訊能力定會得到改善。由於超級電容器具有快速充電的特性，對於像電動工具和玩具這些需要快速充電的設備來說，超級電容器無疑是一個很理想的電源。文獻[4]介紹了在移動通信電源領域，電化學雙電層電容器由於具有高功率密度和低能量密度的特性，將主要用來與其他電源混合組成電源，同時還可以用於短時功率後備，用於保護存儲器數據。文獻[5]研究了利用雙電層電容器作為可植入醫療器械的救急電源，由於雙電層電容器不需要過渡充放電保護電路以及使用壽命長，將替代傳統電池。