1超级电容器1.1电池技术的缺陷Li电池等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。

众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，这也同样是采用铅酸电池（蓄电池）的设计者所面临的困难。

同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，对于要求长寿命、高可靠性的某些应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。

1.2超级电容器的简介超级电容器(又称电化学电容器、电双层电容器)是一种能量存储装置，属新一代绿色能源。

它主要依靠在电极与电解液界面形成电双层贮存电能，性能介于普通电容器和可充电电池之问，在较宽的温度范围内(—40～60。

C)工作，可以在大电流(10～1000A)下充放电。

与可充电电池(包括镍氢电池和锂电池)相比，超级电容器具有更高的功率密度和更长的循环寿命。

与普通电容器相比，超级电容器的能量密度要高出100倍以上。

可见，超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电或快速充电长时间放电等特点。

超级电容器可用于大电流瞬时供给、中电流短时问后备电源、小电流长时间后备电源和低频微波吸收等。

超级电容器是利用双电层原理的电容器。

当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。

当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解为非正常状态。

由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。

由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。

因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

超级电容器有如下特点：（1）电容量大。

超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。

因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3-4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。

（2）充放电寿命长，可达500000次，或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次。

（3）放电电流大。

容量2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，而放电峰值电流则高达1680A。

（4）充电速度快。

超级电容器可以在数十秒或数分钟内完成快速充电，这对于蓄电池来说根本是不可能的。

（5）工作温度范围宽。

超级电容器的正常工作温度范围为-40℃-+70℃，而蓄电池则很难在高温尤其是低温环境下工作。

（6）超级电容器可以任意并联使用，采取均压措施后还可以串联使用。

（7）超级电容器使用的材料安全、无毒、环保。

图2－1 超级电容器循环寿命长，具有很高的功率密度、安全性和效率1.3双电层电容器的结构和机理1.双电层电容器的结构虽然，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，如图2所示。

图2－2 在结构上，超级电容器和电池或电解电容器的主要区别是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。

双电层电容器有两种结构类型，即硬币型和卷绕型，下面简要介绍一下这两种电容器的基本设计特征。

（1）硬币型双电层电容器的基本设计特征双电层电容器的基本设计包括2个被一个多孔性隔膜隔开的高比表面积多孔性电极，隔膜和电极都浸泡在电解液中。

隔膜一般为玻璃纤维膜或聚丙烯膜，允许离子流通过而阻止两个电极相接触。

在每个电极的背面通常加上一层集电体来减少电容器的阻抗损耗，且如果集电体是非多孔性的，它常被用作电容器密封的一部分(图3)。

该种双电层电容器的特点是结构简单、重量轻、体积小，但相应的电压和电容量也较低，适于作小型电器的后备电源。

图2－3双电层电容器基本结构为了提高双电层电容器的操作电压，增大电容量，Becker在1957年设计了多个电容器串联在一起使用的双极式双电层电容器。

这种设计的优点是把两个电容器的电极紧贴在一起且中间只用一个集电体，这样就把电容器之间的电流路程减到最低，大大地减少了电容器的阻抗损耗。

串联电容器的一面是正电极，另一面是负电极。

这种装置的基本构筑部件是一个双电极，故称其为双极双电层电容器。

它可将操作电压提高到几十伏，电容量高达4000-5000 法拉，能够提供数百安培的放电电流，满足电动汽车大功率充放电的需要，开拓了双电层电容器的新的应用领域。

这种设计已经被标准石油公司和NEC公司商品化。

（2）卷绕型双电层电容器另一种比较相近的双电层电容器设计是卷绕型结构，就是将一个薄且面积大的电极卷成一卷，密封在一个容器中。

这种设计的优点是大面积的电极可以大大降低电容器的内部阻抗，而且还简化了电容器的密封。

在双极式结构中，每一个电极组都必须单独密封，而在卷绕式结构中，仅外部需要密封。

但美国学者认为，卷绕式结构的充放电效率低于双极式结构。

目前，卷绕式结构主要被日本NEC和Matsushita公司采用进行商业生产。

2.双电层电容器的储电机理双电层电容器作为一种能量储存装置，主要是因为电极导体和电解液之间所形成的双电层有储存电荷的能力。

Gouy（1910）等发现在金属和电解液之间电荷被分离并形成了一个电荷层。

在界面区，对于电解液中携带电荷的离子来说有一种自然趋势聚集在导体的表面。

这种聚集造成了在金属表面和电解液中各有一个电荷层，因此这个界面区就被称为双电层。

当直流电压加在电极两面时，在电极导体和电解液之间就形成了双电层来储存电能，在双电层中储存的电容量与电极的比表面积成比例。

如果增加在导体和电解液之间的电压，双电层中储存的电荷的数量也相应地增加。

为了增加电动势，在电解液中又加入另一个导体作为电极，并且此电极在电解液中也相应地形成一个双电层。

当在两个电极之间加压时，电荷就被储存在两个电极的双电层区。

电荷在界面区的储存是由于电解液离子的移动或增加，或者是依靠两极电解液的重新排列。

这种两个电极浸泡在电解液中的系统就是双电层电容器的基本结构。

这个系统等价于被一个内部阻抗隔开的两个串联的电器图4所示。

图2－4双电层电容器等效电路图每一个电极的电容量可表示为：表示在界面区的介电常数，d是电荷层之间的距离，A代表电解液和式中，Ke/d的范围为10-30μF/cm3，因此电极的比表面电极之间相接触的表面积。

通常Ke积就成为影响电容器电容量的主要因素。

对于大多数低比表面积的材料来说，在双电层中储存的能量几乎没有实际应用价值；但一些有较大比表面积的材料由于其具有大的有价值的，故能储存相当数量的电荷。

因此研究开发大比表面积的电极材料就成为提高双电层电容器电容量的关键因素。

1.4超级电容器的应用超级电容器具有广泛的用途。

与燃料电池等高能量密度的物质相结合，超级电容器能提供快速的能量释放，满足高功率需求，从而使燃料电池可以仅作为能量源使用。

目前，超级电容器的能量密度可高达20kW/kg，已经开始抢占传统电容器和电池之间的这部分市场。

在那些要求高可靠性而对能量要求不高的应用中，可以用超级电容器来取代电池，也可以将超级电容器和电池结合起来，应用在对能量要求很高的场合，从而可以采用体积更小、更经济的电池。

超级电容器的ESR值很低，从而可以输出大电流，也可以快速吸收大电流。

同化学充电原理相比，超级电容器的工作原理使这种产品的性能更稳定，因此，超级电容器的使用寿命更长。

对于像电动工具和玩具这种需要快速充电的设备来说，超级电容器无疑是一个很理想的电源。

一些产品适合采用电池／超级电容器的混合系统，超级电容器的使用可以避免为了获得更多的能量而使用大体积的电池。

如消费电子产品中的数码相机就是一个例子，超级电容器的使用使数码相机可以采用便宜的碱性电池（而不是使用昂贵的Li离子电池）。

超级电容器单元（cell）的额定电压范围为2.5～2.7V,因此，很多应用需要使用多个超级电容器单元。

当串联这些单元时，设计工程师需要考虑单元之间的平衡和充电情况。

任何超级电容器都会在通电的情况下，通过内部并联电阻放电，这个放电电流就称为漏电流，它会影响超级电容器单元的自放电。

同某些二级电池技术相似，超级电容器的电压在串联使用时需要平衡，因为存在漏电流，内部并联电阻的大小将决定串联的超级电容器单元上的电压分配。

当超级电容器上的电压稳定后，各个单元上的电压将随着漏电流的不同而发生变化，而不是随着容值不同而变化。

漏电流越大，额定电压越小，反之，漏电流小，额定电压高。

这是因为，漏电流会造成超级电容器单元放电，使电压降低，而这个电压会随后影响和它串联在一起的其他单元的电压（这里假定这些串连的单元都使用同一个恒定电压供电）。

为了补偿漏电流的变化，常采用的方法是，在每一个单元旁边并联一个电阻，来控制整个单元的漏电流。

这种方法有效地降低了各单元之间相应并联电阻的变化。

另一个推荐使用的方法是主动单元平衡法（active cell-balancing），采用这种方法，每一个单元都会被主动监视，当有电压变化时，即进行互相平衡。

这种方法可以降低单元上的任何额外负载，使工作效率更高。

如果电压超过单元的额定电压，将会缩短单元的使用寿命。

对于高可靠性超级电容器来说，如何维持电压在要求的范围内是关键的一点，必须控制充电电压，以保证它不能超过每个单元的额定电压。

1.5超级电容器发展简史和前景双电层电容器出现于20世纪50年代，80年代在日本便实现了产业化。

现在超级电容器在美国、日本、俄罗斯、韩国等已实现商品化生产，其中尤其以碳基材料的超级电容器的技术最为成熟。

10年前，超级电容器每年只能卖出去很少的数量，而且价格很贵，大约1～2美元／法拉，现在，超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场，价格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。

在最近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域。

双电层电容器最初主要用途是用于存储元件的后备电源。

后来随着能量密度的提高。

超级电容器广泛用作各种小型用电器的电源。