超級電容器的原理及應用

超級電容器的原理、結構和特點Maxwell超級電容器結構超級電容的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作''電容電池”。超級電容屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。超級電容器原理電化學雙層電容器（EDLC）因超級電容器被我們所熟知。超級電容器利用靜電極化電解溶液的方式儲存能量。雖然它是一個電化學器件，但它的能量儲存機制卻一點也不涉及化學反應。這個機制是高度可逆的，它允許超級電容器充電放電達十萬甚至數(shù)百萬次。超級電容器可以被視為在兩個極板外加電壓時被電解液隔開的兩個互不相關的多孔板。對正極板施加的電勢吸引電解液中的負離子，而負面板電勢吸引正離子。這有效地創(chuàng)建了兩個電荷儲層，在正極板分離出一層，并在負極板分離出另外一層。傳統(tǒng)的電解電容器存儲區(qū)域來自平面，導電材料薄板。高電容是通過大量的材料折疊。可能通過進一步增加其表面紋理，進一步增加它的表面積。過去傳統(tǒng)的電容器用介質分離電極，這些介質多數(shù)為：塑料，紙或薄膜陶瓷。電介質越薄，在空間受限的區(qū)域越可以獲得更多的區(qū)域?？梢詫崿F(xiàn)對介質厚度的表面面積限制的定義。超級電容器的面積來自一個多孔的碳基電極材料。這種材料的多孔結構，允許其面積接近2000平方米每克，遠遠大于通過使用塑料或薄膜陶瓷。超級電容器的充電距離取決于電解液中被吸引到電極的帶電離子的大小。這個距離（小于10埃）遠遠小于通過使用常規(guī)電介質材料的距離。巨大的表面面積的組合和極小的充電距離使超級電容器相對傳統(tǒng)的電容器具有極大的優(yōu)越性。超級電容器內部結構超級電容器結構上的具體細節(jié)依賴于對超級電容器的應用和使用。由于制造商或特定的應用需求，這些材料可能略有不同。所有超級電容器的共性是，他們都包含一個正極，一個負極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。圖1.超級電容器結構超級電容器的部件從產品到產品可以有所不同。這是由超級電容器包裝的幾何結構決定的。對于棱形或正方形封裝產品部件的擺放，內部結構是基于對內部部件的設置，即內部集電極是從每個電極的堆疊中擠出。這些集電極焊盤將被焊接到終端，從而擴展電容器外的電流路徑。

對于圓形或圓柱形封裝的產品，電極切割成卷軸方式配置。最后將電極箔焊接到終端，使外部的電容電流路徑擴展。Maxwell超級電容器結構圖2,超級電容器電極Electrode-Thecoreofawinningsaluticnpropri-eiaryetedrodeprocessTheElectrodeIsma：d?of:,AluminumCarbonResin(thebinder)?Paper(sepaiator)TheBfendofCarbonsandCompasiticmofBinder...are-proprietary圖3.電極——制勝的關鍵如上圖2所示，為Maxwell超級電容的電極，這被認為是他們超級電容器技術的最關鍵部分。這個電極是由鋁，碳元素制成，其中樹脂作為粘合劑，紙作為隔膜。超級電容器的特點充電速度快，充電10秒?10分鐘可達到其額定容量的95%以上；循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達1~50萬次，沒有“記憶效應”；大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率＞90%；功率密度高，可達300W/KG~5000W/KG，相當于電池的5~10倍；產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源;充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護;（7）超低溫特性好，溫度范圍寬-40°C?+70°C；（8）檢測方便，剩余電量可直接讀出；（9）容量范圍通常0.1F--1000F。法拉（farad），簡稱“法'”，符號是F1法拉是電容存儲1庫侖電量時，兩極板間電勢差是1伏特1F=1C/1V1庫侖是1A電流在1s內輸運的電量，即1C=1A?S。1庫侖=1安培?秒1法拉=1安培?秒/伏特超級電容器的技術發(fā)展傳輸脈沖速率下的電容量效率堅固的等級和電氣特征解決方案：存儲收集到的能量并提供電流給任何遠程設備。在無線設備中，高電容量的維持是質子薄膜技術為系統(tǒng)提高效率的另一種途徑在不超過10年的發(fā)展時間里，超級電容器已經很成熟了，這種可以貯藏高電荷能量的電化學器件從最初只為直流應用（例如，微波爐或VCR中的時鐘電壓保持）設計的大容量、低耐壓圓柱形器件發(fā)展到目前的兩大分支：處于實用階段為混合動力汽車提供電力，并具有很高耐壓和法拉容量的電容器和新型小體積、低高度的柱形脈沖超級電容器。這種新一代脈沖超級電容器具有極低ESR的特點，使得它們可以滿足對鋰離子電池或標準AA、AAA電池進行涓流充電時，設備工作所需要的瞬時峰值電流。低厚度的設計也使得它們可以被使用在小型電路卡組件（CircuitCardAssembly,CCA）中，并能夠滿足如便攜設備中無線數(shù)據(jù)傳輸卡和高密度數(shù)據(jù)傳輸設備等對電源的需求。在這些應用中，常需要提供大約主電池輸出電流兩倍的峰值能量以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。超級電容器正如它的名字一樣，可以存儲大量的電荷。標準電容器通過極板間的電介質存儲電荷。由于電介質內的偶極子排列，電場的建立可以通過極板的電壓測得。極板所能保持的電荷越多，電容量就越高，能量存儲可以通過公式1/2（C、V2）來計算。此處,C為以法拉為單位的電容,V為以伏特為單位的極板電壓。超級電容器也可以產生同樣的結果，但它卻是通過電荷的大量游離和運動，而不是通過介電質的偶極子排列來存儲能量。這種移動相反電荷到分離器不同側的機制是自然界中的電化學現(xiàn)象,與電池原理非常相似。能量在標準電容器或超級電容器之中能夠存儲多久將取決于電容器內部的漏電流（如偶極子的釋放或電荷的重組），存儲的能量能夠被釋放得多快取決于器件的內部電,標準電容器技術的研究正集中于新型材料的開發(fā)以期改善介電常數(shù)、介電質漏電流、內部電阻和耐壓能力。同樣,對于超級電容器而言，最初的產品是基于高內阻的機電系統(tǒng)，并具有“類電池”的存儲電能和放電特征，而新材料的開發(fā)已經使低ESR器件成為瞬時放電應用的理想器件。當在標準電容器中計算偶極子排列所存儲的能量時，通常會假定其是純粹的直流應用環(huán)境。但在大多數(shù)應用中，需要電容器來傳遞信號,這就使極板帶有交流電壓。問題是偶極子的振動怎樣能夠很好地跟得上傳過來的信號頻率并不失真呢？或者哪種類型的標準電容器能夠適合對應的應用環(huán)境？例如，耐壓6V,容量高達2200日F,ESR小于50mQ的鉭■容在100kHz?1MHz范圍內都有很好的頻率響應。這是因為在100kHz時，電容量保持率很高（大約90%）,是SMPS器件寬范圍濾波要求的理想選擇。陶瓷II型材料也適合這個頻率范圍，雖然電容量相比要低，但ESR會更低（大約100日F/5mQ）。同時，陶瓷I型電介質有非常高的工作頻率,特別適合射頻應用。對于光學系統(tǒng)，單層器件可以接近10GHz的響應。同樣，超級電容器技術也正在發(fā)展以用于更加廣泛的領域。這得益于納米技術（可以用來開發(fā)更高表面積的炭疊層）所具有的優(yōu)點，而最近幾年許多令人激動的成果之一就是分離系統(tǒng)中的“質子聚合膜''被引入了電容器制造領域。這種技術有如下優(yōu)點：?非常高的直流電容：容量在50mF?1F；?非常長的電容保持時間：以毫秒為單位的脈沖間隔；?非常寬的工作電壓：3.6?15V,甚至更寬；?非常低的ESR：20?300mQ；?非常低的漏電流：2?5日A；?非常長的生命周期：深度充放電循環(huán)測試高達一千萬次（或者持續(xù)測試8個月）也沒有顯示出對這些電容有任何大的影響。脈沖超級電容器的封裝也在不斷發(fā)展，主要朝向小占板面積和低高度方向。例如，AVX的BestCap?系列超級電容器大約8年前就面市了，包括了具有標準28mmx17mm尺寸和48mmx30mm大尺寸的型號，厚度范圍是2.0mm?6.0mm。目前,已經開發(fā)出了小尺寸（20mmx15mm）的型號，更加微小尺寸（15mmx12mm）的型號也正在開發(fā)中（見圖4）。這些超級電容的結構是非常堅固的，具有精密鋼質外殼。所有內部單元部件都采用環(huán)保材料、無有機溶劑的水溶性材料制造，這些相同的單元部件會構成單元陣列。由于采用實體封裝和相同的結構，可以承受超過1000g的重力加速度沖擊，而且這些內部單元的工作溫度范圍是-40?+75°C。超級電容器的電學特征加上它們的小型化，是數(shù)字無線應用的理想選擇。一個主要的無線應用就是具有PCMCIA或USB接口的無線數(shù)據(jù)傳輸卡。在這些設備中,超級電容器提供了必須的瞬時放電能量來支持當筆記本或PDA鋰離子電池處于涓流充電狀態(tài)時，GPRS和EGDE數(shù)據(jù)傳輸所需要的電流。由于它們可以支持比主電池（能夠延長電池壽命2?3倍）工作范圍還寬的瞬時電流，所以能夠改善許多設備的效率，大量的高功率無線數(shù)據(jù)卡都從中受益,如遠程光學掃描器。圖4超小型超級電容無線傳輸中的一個重要問題是在傳輸脈沖速率下的電容量效率。當傳輸脈沖速率和（或）占空比周期增加時，許多具有很高直流電容的超級電容器都會受到電容量維持效率的影響。有些超級電容器所用的質子薄膜系統(tǒng)提供了很高的電容量效率,這就使高占空比的無線傳輸（例如,GPRS-8到GPRS-10）能夠使用更低直流容量的電容（這也降低了設備涓流充電的能量裕量）。此外,這些應用中電容器的額定耐壓范圍（3.6?5.5V）表明，脈沖超級電容器可以用在GSM芯片（耐壓3.5V）、鋰離子電池（耐壓4.5V）,或者DC/DC轉換器（5.5V）中。5.5V電壓的使用可以省掉額外的電路，或者其他次級電路（如LDO等）。超級電容器可以被用在相當苛刻環(huán)境中工作的數(shù)據(jù)記錄設備上，例如，點貨設備，或者包裹檢測器等。這些設備的工作環(huán)境溫度范圍非常寬，而且還會受到沖擊和震動,有時還會發(fā)生落地的情況。而人們主要關心的不僅僅是設備會不會摔壞,更重要的是會不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。在只依靠電池工作的設備中,“電池接觸聲''的出現(xiàn)可能預示著一些關鍵數(shù)據(jù)丟失了,通過將超級電容器牢固地焊接在電路中,就不會在工作過程中由于嚴重的沖擊而出現(xiàn)電源中斷的情況。堅固的等級和電氣特征表明這些超級電容器可以支持許多需要瞬時功率電流并使用電池的“工業(yè)級”應用，包括遠程安裝和自動閥門的無線控制、自動計量系統(tǒng)、遠程射頻標簽(RFID)閱讀器和遠程安保系統(tǒng)等。在這樣的系統(tǒng)中,主要的供電電源可能不是普通電池，而很可能是太陽能電池。另一種正在出現(xiàn)的應用是無須電池供電的設備。在大多數(shù)系統(tǒng)中,當超級電容器作為輔助能源設備時，如果只需要涓流充電,那么就有可能不需要主電源(或者太陽能電池)。而從壓力到感應器件，它們可以通過多種振動和運動方式產生能量。新的能量采集系統(tǒng)已經可以用在任何有機械振動的系統(tǒng)中，而且能夠提供輸出電壓給儲能設備。在這些應用中，質子薄膜也具有另外一個優(yōu)點，即更高的額定耐壓,7?15V中的任何值都能達到，而與其他類型的超級電容器串聯(lián)使用時也不需要平衡正如前面所討論的，在電容器中存儲的能量是電壓平方的函數(shù)。在所有設計用來存儲能量的系統(tǒng)中，更高的電壓可以實現(xiàn)更高的效率。這樣系統(tǒng)中的電容器具有兩個功能：1存儲收集到的能量并提供電流給任何遠程設備。2在無線設備中，高電容量的維持是質子薄膜技術為系統(tǒng)提高效率的另一種途徑。脈沖超級電容從近10年前問世以來，已經走了很長的路，從消費類應用到遠程工業(yè)系統(tǒng)。下一個10年,它們將會是普遍使用的電介質類型器件。超級電容器可以被用在相當苛刻環(huán)境中工作的數(shù)據(jù)記錄設備上，例如，點貨設備，或者包裹檢測器等。這些設備的工作環(huán)境溫度范圍非常寬，而且還會受到沖擊和震動,有時還會發(fā)生落地的情況。而人們主要關心的不僅僅是設備會不會摔壞,更重要的是會不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。在只依靠電池工作的設備中,“電池接觸聲''的出現(xiàn)可能預示著一些關鍵數(shù)據(jù)丟失了,通過將超級電容器牢固地焊接在電路中,就不會在工作過程中由于嚴重的沖擊而出現(xiàn)電源中斷的情況。堅固的等級和電氣特征表明這些超級電容器可以支持許多需要瞬時功率電流并使用電池的“工業(yè)級”應用，包括遠程安裝和自動閥門的無線控制、自動計量系統(tǒng)、遠程射頻標簽(RFID)閱讀器和遠程安保系統(tǒng)等。在這樣的系統(tǒng)中,主要的供電電源可能不是普通電池，而很可能是太陽能電池。另一種正在出現(xiàn)的應用是無須電池供電的設備。在大多數(shù)系統(tǒng)中,當超級電容器作為輔助能源設備時，如果只需要涓流充電,那么就有可能不需要主電源(或者太陽能電池)。而從壓力到感應器件，它們可以通過多種振動和運動方式產生能量。新的能量采集系統(tǒng)已經可以用在任何有機械振動的系統(tǒng)中，而且能夠提供輸出電壓給儲能設備。在這些應用中，質子薄膜也具有另外一個優(yōu)點，即更高的額定耐壓,7?15V中的任何值都能達到，而與其他類型的超級電容器串聯(lián)使用時也不需要平衡電阻。正如前面所討論的，在電容器中存儲的能量是電壓平方的函數(shù)。在所有設計用來存儲能量的系統(tǒng)中，更高的電壓可以實現(xiàn)更高的效率。這樣系統(tǒng)中的電容器具有兩個功能：1存儲收集到的能量并提供電流給任何遠程設備。2在無線設備中，高電容量的維持是質子薄膜技術為系統(tǒng)提高效率的另一種途徑。脈沖超級電容從近10年前問世以來，已經走了很長的路，從消費類應用到遠程工業(yè)系統(tǒng)。下一個10年,它們將會是普遍使用的電介質類型器件。超級電容器與電池的比較相對鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池，超級電容具有節(jié)能、超長使用壽命、安全、環(huán)保、寬溫度范圍、充電快速、無需人工維護等優(yōu)點。本文介紹超級電容與其他儲能產品的性能比較，例如與各種電池的比較，替代的可能性。

EnergyStorage

Technologies圖1:各種各樣的儲能產品之所以叫超級電容，是因為超級電容的容值都是法拉級的，且可以很快提供一個充放電，這是傳統(tǒng)的電容或者電池做不到的。下面介紹了各種產品不同的應用范圍，橫坐標是能流密度，縱坐標是能量密度，從中可以看到哪個地方是電池的應用范圍，哪個地方是傳統(tǒng)電容的應用范圍，哪一塊是超級電容的應用范圍。a,QiID100tdOODafisity呻阿］圖2,超級電容和其他儲能技術的比較我們知道電池的充放電大概在1小時到10個小時左右，而傳統(tǒng)電容是作為濾波使用的，充放電是在0.03秒，但是超級電容就在1秒左右，基本上是從0.1秒到10秒，這正是汽車比如剎車起動的時候要用的，當然任何的設備比如風能變槳系統(tǒng)，變槳的時候要提供能量也是在這個時間段。超級電容的能流密度和能量密度都非常高。超級電容是用物理的方法儲能，電池是用化學反應的方法來儲能，所以電池的反應時間會很長，超級電容可以快速的充放電，這是它的根本原因，也是超級電容的性能優(yōu)勢之所在。傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)是使用鉛酸電池。以風力發(fā)電為例，有風時由風力發(fā)電機發(fā)電，無風時由儲能系統(tǒng)供電。當電源斷開進行切換時，鉛酸電池需要十幾秒的反應時間。這時便可由超級電容進行輔助。由于超級電容是將電荷儲存起來，可以快速的補充和釋放，而電池則需要經過化學反應的方式進行充放電。在這十幾秒的時間里，超級電容可以提供短時間的能量，保證電源穩(wěn)定。超級電容可以工作在在-40°C~65°C之間，可以覆蓋PC-20°C~60°C的工作溫度范圍和電池0°C~50°C的工作溫度。超級電容是功率密集元件，但放電時間較短，電池是能量密集型元件，放電時間較長。Leadacid3叩網(wǎng)loadcycfvt(20%DOO)NickelCadmium10^0loadcycles(40%0OO|LithiumLeadacid3叩網(wǎng)loadcycfvt(20%DOO)NickelCadmium10^0loadcycles(40%0OO|LithiumJonUltracapacitorsMareUlanroODaOOOloadCgg"界DOO)圖3.超級電容與電池的充放電次數(shù)比較超級電容的應用主要是用作備用電源和提供峰值功率。超級電容用作備用電源時，具有高可靠性、免維護、長壽命和寬工作溫度范圍的特點。由于超級電容能夠進行高功率的充放電，所以可以將火車，城市輕軌的剎車能量儲存起來，加速時提供峰值功率，或者可以在吊車起吊時，電動機啟動時提供峰值功率。UC-UC-Physica1_energy.storaqeChargecontainedinelectrolyteAdsorptionofionSolvatedionsConductivity,a(SOC)E=f(electrodesurface)UC-ultracapacitor3OC=stele-of-diprgeBattery-O-emicaIenergystorageChangecontainedinelectrodemassOrtoitalelectronexchangeREDOXianintercalation苔二constantE^elecirodemaas)REDOX-roduotkon-oxidationreaction圖4.超級電容與電池的儲能原理比較如上圖4所示，超級電容和電池在儲能原理上最大的不同在于超級電容利用的是物理的儲能方式而電池利用的是化學的儲能方式。同時，超級電容和電池的儲能的決定因素也不同。

AttributeUnitUltracapLithiumUCvs+Li|PowerdensitykW/L103—二EnergydensityWh/L6200?ColdTemperature°C<Y(}K)+HotTemperature°C+65+40十RfltewpdbilltyQ/-X>1800<40+■SOCwindow%100+FfficfeNK.y@4OC%嚀明％-95%圖5.超級電容與鋰離子電池比較超級電容器是功率密集元件(>10kW/L)而鋰離子電池是能量密集元件(~200Wh/L)。圖6.電池電壓隨電池能量的變化ProductDischargeProfilesl何】叩s)—102050100150—2000306090120150180210240time,dt(seconds)Ultracapacitor圖7.超級電容器的放電特性超級電容與電池比較，有如下特性：超低串聯(lián)等效電阻（LOWESR），功率密度（PowerDensity）是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上）。超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應。免維護，可密封。溫度范圍寬-40°C?+70S一般電池是-20°C?60°C。超級電容器的應用超級電容通過分離正負電荷來儲存能量，是物理方法儲能，電池是用化學反應的方法來儲能，所以電池的反應時間會很長，超級電容容量大，充放電速度快，而且充放電循環(huán)可達百萬次，非常適合用作備用電源和提供峰值功率。超級電容工作原理超級電容可以用做后備電源，類似于UPS，在系統(tǒng)突然斷電后，負責在極短時間內為系統(tǒng)提供能量。在這種應用中，需要后備電源有快速的啟動時間。由于超級電容是物理反應的方式儲存電能，充放電速度快，相對電池有著更為快速的響應時間。RequitedPowerAvat!ablePowerUltrsicapac(torBackupPowerRequitedPowerAvat!ablePower圖i：超級電容用作備用電源示意圖電池的充放電大概在1小時到10個小時左右，而傳統(tǒng)用于濾波的電容，充放電在0.03秒，超級電容充放電在1秒左右，基本上是從0.1秒到10秒，這個時間正好是汽車、吊車剎車或啟動的時間，其他設備比如風力發(fā)電中，風輪機變槳的時候要提供能量也是在這個時間段。在風力發(fā)電風輪機變槳時、機車、電動機、汽車、吊車啟動時需要的能量遠大于其正常工作時需要的能量，超級電容可以輔助電池、發(fā)動機等動力系統(tǒng)提供峰值功率，從而減輕電池或發(fā)動機的負擔。沒有超級電容時，在負載啟動、維持運行和終止的過程中，能量全部由電池或發(fā)動機供給。如果加入了超級電容，負載啟動時需要的峰值功率可以由超級電容承擔。AvailablePowerRequiredPowerUitracapacitorPeakPower圖2AvailablePowerRequiredPowerUitracapacitorPeakPower在機車、電動機、汽車、吊車剎車時，超級電容可以重新捕獲能量。這樣，加入了超級電容做輔助電源，可以提高能量利用效率，延長電池或發(fā)動機壽命。同時相對于沒有超級電容的動力系統(tǒng)，電池或發(fā)動機不需要提供峰值功率，因而尺寸可以更小。下圖是超級電容輔助電池、發(fā)動機的工作模式示意圖。PEAK

POWER

DEMANDPRIMARYENERGYSOURCE

(Batteries,Engine,FuelCell)PEAK

POWER

DEMANDPRIMARYENERGYSOURCE

(Batteries,Engine,FuelCell)t:POWERLJUSAGEENERGYSTORAGE/

POWERDELIVERY

COMPONENTS

(Uttracapacitors)JUiCAPTURECHARGINGASNEEBEOPRIMARYENERGYSTORAGE/

POWERDELIVERY

COMPONENTS

(Uttracapacitors)JUi