超级电容器综述

电子技术查新训练题目 超级电容器技术综述_学号3130434055 班级 学生 指导教师 杨莺 2014 年超级电容器技术综述摘要：近年来，随着经济的迅猛发展，人们在实际应用中对储能装置各项技术指标的需求不断提高，而当前电池的标准设计能力已经逐渐无法满足人们的要求，超级电容器应运而生。超级电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。作为一种新的储能元件，它填补了传统电容器和电池之间的空白，能提供比普通电容器更高的能量和比二次电池更高的功率以及更长的循环寿命,同时还具有比二次电池耐温和免维护的优点。本文主要针对超级电容器的储能机理、超级电容器电极材料、超级电容器的发展动态以及未来应用的展望进行了简单的论述。关键词:超级电容器;储能机理;活性炭；发展现状；应用展望。AReviewofthetechnologyofsupercapacitorAbstract：Inrecentyears，Withtherapiddevelopmentofeconomy，Peopleadvancetheneedthatcanequipeachtechniqueindexsigntocontinuouslyraiseatpracticalapplication。Butthestandarddesignabilityofthecurrentbatteryhavealreadycannednotsatisfypeople'srequestgradually，Thesupercapacitoremergeswiththetideofthetimes.Thesupercapacitorisakindofnewenergystoringdevice,ithasmanycharacteristicssuchasshortrefreshtime，longservicelife,goodtemperaturecharacteristic，energyconservation，Environmentprotecting。Asanewkindenergystorageelement，itfilleduptraditionalcapacitorandtheblankofbattery.Itcanprovideenergythanthecommoncapacitorhigherandthepowerthansecondarybatteryhigherandthelongercirculatinglife.Meanwhileithastheadvantageofratingoftemperatureandnomaintenancethansecondarybattery。Thetextmainlyaimsatthekeepingofsupercapacitordevelopmentdynamicstateofabilitymechanism，supercapacitorelectrodematerial,supercapacitorandinthefutureapplyoftheoutlookcarriedonsimpletreatise.KeyWords：supercapacitor;Theenergystoragemechanism;activecarbon;developmenttrend;Applicationtrend.引言近几年出现的超级电容器，它兼有物理电容和电池的特性，是人们未来探索的确定方向.超级电容器是比物理电容器更好的储能元件。目前，用于超级电容器的电极材料主要是炭材料,由于一些炭材料比如氧化锰低价高能，所以受到很多科学家的青睐。超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。就目前的国际形势来看，超级电容器有着很大的应用前景。1超级电容器概述1。1超级电容器的定义及特点超级电容器是一种介于普通电容器和化学电池之间的储能器件，兼具两者的优点,如功率密度高、能量密度高、循环寿命长、可快速充放电，并具有瞬时大电流放电和对环境无污染等特性.它涉及材料、能源、化学、电子器件等多个学科,成为交叉学科研究的热点之一.作为一种绿色环保、性能优异的新型储能器件,超级电容器在众多的领域有广泛的应用，包括国防、军工,以及电动汽车、电脑、移动通信等民用领域,因而受到了世界各国,尤其是发达国家的高度重视。［1］表1为各钟元件储能性能：［2］表1各储能系统的性能比较舉蛙瞎称-元件林称诽电池尅级电容擀超孚储能飞魏怖能20-100]-10<i"U功率常血(W-li-kf^')50-200了(MMM忙im]000180^1800循坏舟命g次1泸汰［曲敘率魄>95安伞叫i'<髙不髙缩护蛍小很小丸较人对环境宓响沁枭.5杂3染瓦山染成小“川.iS204超级电容器的历史发展双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的•1879年Hemlholz发现了电化学界面的双电层电容性质；1957年，Becker申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的电化学电容器方面的专利；1962年标准石油公司生产了一种6V的以活性碳（AC）作为电极材料，以硫酸水溶液作为电解质的超级电容器.1979年NEC公司开始生产超级电容器，开始了电化学电容器的大规商业应用；在超级电容器的产业化上，最早1980年NEC/Tokin与1987年松下三菱的产品。 到20世纪90年代，Econd和ELIT推出了适合于大功率启动动力场合的电化学电容器.如今,Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、Powerstor、Evans,SAFT,NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃.⑶目前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，各个国家的超级电容量器产品在功率、容量、价格等方面都自己的特点和优势.与国外相比，我国超级电容器的研究起步晚,目前国内研制超级电容器企业有天津力神公司、上海奥威科技开发有限公司、北京集星联合电子科技有限公司等.国内研发和生产的超级电容器主要用于民用，如各种动交通工具的辅助电源、UPS系统、电磁开关.天津力神公司与美国Maxwell公司合作，产品性能达到国内领先；上海奥威科技开发有限公司以开发超级电容器电动汽车为研发目标，并将上海11路公共汽车定为超级电容电动车的示范线，开始了商业化运营,北京集星联合电子产品主要以卷绕型活性炭纤维布作电极,生产高电压和高容量的有机超级电容器。[4]这一产品不断地得到市场的认知,市场的拓展也在成几何倍数增长.2.超级电容器的电极材料2.1超级电容器的电极材料电极材料是超级电容器的关键，它决定着超级电容器的主要性能指标.[5]科学家们对各种具有特定属性的材料已进行了研究，探讨超级电容器的潜力和适用性先进的超级电容器具有高容量的性能，如碳基材料、过渡金属氧化物和导电聚合物。[6]2。1.1炭材料多孔炭材料比电容高,循环寿命长，且资源丰富、结构多样、成本适中，是超级电容器领域最为活跃的研究方向。如表2。表2各种炭材料和期前驱的关系[10]

前驱体双电层电容器用碳材料碳氢化合物炭黑聚合物材料碳纤维石油炭微珠用煤碳气凝胶可再生燃料碳粉末a活性炭（AC）通过不同工艺炭化、活化制备的AC有很高的比表面积（1000~3000m2/g）,高的孔隙率，生产工艺简单且价格低廉，一直受到人们的青睐,是目前已经商品化的电极材料之一。b活性炭纤维（ACF）活性炭纤维（ACF）是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料，高比表面积的活性炭纤维布是已商品化的电极材料之一。ACF的制备一般是将有机前驱体纤维在低温（200〜400°C）下进行稳定化处理，随后进行炭化活化（700〜1000C）。ACF具有比表面积高、孔径分布窄、导电性好及比电容高的特点。如图1。0.10poresize/nm0.04ACF1ACF2ACF3ACF4ACF5ACF6aooeoc自14000.10poresize/nm0.04ACF1ACF2ACF3ACF4ACF5ACF6aooeoc自1400120010004002000.0 0,2 0.4 0.S 0.BL0relativepressure.■-ACF1•-ACF2 二*-ACF5 心为k（a）（b）图1ACF的N吸脱附等温线（a）和孔径分布曲线（b）[5]2C碳纳米管（CNTs）碳纳米管（CNTs）由于具有化学稳定性好、比表面积大、导电性好和密度小等优点，是很有前景的超级电容器电极材料.d炭气凝胶（CAGs）

炭气凝胶（CAGs）是唯一具有导电性的气凝胶，具有导电性好、比表面积大、密度变化范围广等特点，且轻质、多孔、非晶态、块体纳米炭材料，其连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。它的孔隙率高达80%〜98%，典型的孔隙尺寸小于50nm,网络胶体颗粒直径3〜20nm,比表面积高达600〜1100m2/g,是制备双电层电容器理想的电极材料[8]2.1.2过渡金属氧化物金属氧化物电极在超级电容器中产生的法拉第准电容（赝电容）比碳材料电极表面的双电层电容要大很多。法拉第准电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸脱附或氧化还原反应。因为在金属氧化物电极上发生快速可逆的电极反应,而且该电极反应能深入到电极内部，因此能量存储于三维空间中，提高了能量密度。[9]举例：以RuO为电极,举例：以RuO为电极,2正极:HRuO2^^H[_eRuf）2+Bl*+负极:HRuO.+fll++牯鲁詈Hg出心总反应：HRiC2+HR1X)2鬻1负极:III_gR1/)2+Hi+sRjjOi2。1。3导电聚合物电极材料以导电聚合物作为超级电容器的电极材料,主要是利用其掺杂去掺杂电荷的能力。其贮能机理是：通过电极上聚合物中发生快速可逆的n型、p型元素掺杂和去掺杂氧化还原反应，使聚合物达到很高的贮存电荷密度，从而产生很高的法拉第准电容。[10]2。2超级电容器的电极材料展望超级电容器是继锂离子电池之后又一极具广泛应用潜力的新型储能器件，具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。电极材料是制约超级电容器发展的关键因素之一。对当前单一电极材料存在诸如多孔炭材料能量密度及功率密度低、贵金属氧化物价格高、导电聚合物稳定性差等不足之处,大力开发复合电极材料（如多孔炭／金属氧化物复合材料、多孔炭／导电聚合物复合材料等）已成为超级电容器电极材料领域的研究重点。复合电极材料的研发不仅能够实现材料性能和成本的合理平衡，而且有利于改善超级电容器的综合性能，加快其工业化应用进程。[11]超级电容器的储能机理如今,超级电容器储存的能量在运输系统中被使用。比如在中地铁网络系统,列车的加速和刹车需要使用多的能量。使用超级电容器就是来存储制动能量的一种方法。[12]3.1超级电容器的储能机理根据存储电能的机理不同，超级电容器可分为双电层电容器(Electricdoublelayercapacitor，EDLC)和赝电容器(Pesudocapacitor)。3。1.1双电层电容器机理双电层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、原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷,称为界面双层。双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料，有活性炭(活性炭粉末、活性炭纤维)、碳气凝胶、碳纳米管.双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙率有关。通常，孔隙率越高,电极材料的比表面积越大，双电层电容也越大。但不是孔隙率越高,电容器的容量越大。保持电极材料孔径大小在2〜50nm之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积，从而提高双电层电容。如图2。图2双电层电容器机理3。1.2赝电容器机理赝电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于反应在整个体相中进行，因而这种体系可实现的大电容值比较大，如吸附型准电容为2000X10-6F/cm2。对氧化还原型电容器而言，可实现的大容量值则非常大，而碳材料的比容通常被认为是20X10-6F/cm2，因而在相同的体积或重量的情况下，贋电容器的容量是双电层电容器容量的10〜100倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。[13]超级电容器储能特征超级电容器储能系统优点超级电容器利用双电层原理直接储存电能，其容量可达数万F,是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。超级电容器兼有常规电容器功率密度大、充电能量密度高的优点，可快速充放电,且使用寿命长、不易老化。超级电容器还具有一些自身的优势，它没有可动部分,既不需要冷却装置也不需要加热装置,在正常工作时，内部没有发生任何化学变化。超级电容器能够安全放电，安装简易,结构紧凑，可适应各种不同的环境。超级电容器的这些优点使得它成为处理尖峰负荷的佳选择,非常适合作为储能器件应用于电机制动能量回收的场合。[14]如图3Avsi超讓电容器能址冋收系■统加速时.jw■"W■IMMl■W-wVWIW*MAvsi超讓电容器能址冋收系■统加速时.jw■"W■IMMl■W-wVWIW*M：|1逆变器：图3基于超级电容器的节能系统示意图[14]4.超级电容器的发展现状举例说明.我国经多年自主研究开发超级电容器，在技术方面在国际上处于领先地位，拥有独立的知识产权，产品的技术水平与俄罗斯同类产品相近（见表3），而俄罗斯的产品被17届国际电动车年会《EVS—17）评价为目前国际上最先进的超级电容器，知识产权价值2亿美元。[15]图4是由上海奥威参与的上海11路超级电容公交电车已

经正式运行3年多，总计17辆车，总运行里程超过150万km,完成载客680万人平均能耗仅为O。98kwh/km】i6]表3 130000F级牵引性超级电容器的主要指标[15]工作电压W1.6—0.8工作温度_40〜50挣电容屋,F130000超大电容量等效串联邑阻•恤1口0.4在25匸时储存能M/Wh331.6-0.8V时的能量充包时间-'niiii12〜15充电电流在]20A循环悚用寿命/次10000重帘F'kg2.S带电解液时外形尺寸/mm98.5X98.5X2454.2-1 1 1 1 1 ' 1 ■ I 「0.040-7、 电压-—-电潼0.5ae、23.6、--LO武&哥3.4\-1\-453.2-\3.0\~J |i 1 1 1 | 1~-2.00 1 2 3 4 5 6容l(Ah)图4[16]5.超级电容器的综合应用展望说起绿色能源，人们通常想到的是太阳能、风能、生物能、氢能等等．不过，从技术角度和人类长远的可持续发展来看，超级电容器才是21世纪低碳经济中最理想的储能再生动力电源，超级电容器技术也是低碳经济[17]中的黄金技术.在未来的生活中，超级电容器有太多作用。在便携式仪器仪表中如驱动微电机。继电器、电磁阀中可以替代电池工作。还可用于对照相机闪光灯进行供电，可以使闪光灯达到连续使用的性能。它应用在可拍照手机上，能使得拍照手机可以使用大功率LED.超级电容器技术还可应用在移动无线通讯设备中等等。[18]也可以研究动力型超级电容器技术。[19]研究碳纳米管的超级电容器.[20]随着技术的不断改进和日趋成熟,绿色环保的新能源轿车和新能源货车也会大批涌现，多种类大批量的电动车辆必将在中国大地及世界大地上承载希望驶向未来超级电容器也必将具有更加广阔远大的市场前景。[21]5结束语在了解了超级电容器后，我们已经明白了它的重要性。而经过科技人员几十年的努力,超级电容器研究取得长足的进步，但是超级电容器在能量密度、功率密度方面还有待大幅度提高，特别是要提高价格竞争力.同时需要加大其应用领域的开发力度，以促进其实用化.可以肯定的是，随着对超级电容器研究的不断深入，超级电容器的性能将不断提高，应用领域将不断拓宽，市场前景将更加光明.参考文献：刘小军，卢永周。超级电容器综述[J]。西安文理学院学报，14(2),2011:69-72李乐，黄伟，马雪玲.超极电容器储憾系挽在微电网中的应用[J]。特稿专递，13(4)，2010：12-14陈果编译.超级电容器发展动态J]•电子报，010，2012:1-2刘春娜。国外超级电容器发展动态】J]。电源技术，36(7)，2012：930-934徐斌，张浩，曹丽萍，张文峰，杨欲生.超级电容器炭电极材料的研究J]•化学进展，23(2/3)，2011：605-607PengLv，YiY.Feng，YuLi，WeiFeng*.Carbonfabric一alignedcarbonnanotube/MnO2/conductingpolymersternarycompositeelectrodeswithhighutilizationandmassloadingofMnO2forsuper一capacitors[J],JournalofPowerSourcesVol，220，No.4，2012:160-168林立华，郑翠红，闫勇，俞海云，朱伟长.超级电容器电极材料的研究进展[J]应用化工，40(6)，2011：1095一1097王康，余爱梅，郑华均，超级电容器电极材料的研究发展[J]ZHEJIANGCHEMICALINDUSTRY，41(4)，2010:18—20袁磊，王朝阳，付志兵，