有容乃大的超級(jí)電容?

什么是超級(jí)電容器

超級(jí)電容器（supercapacitor）是指相對(duì)傳統(tǒng)電容器而言具有更高容量的一種電容器。通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存能量。是介于電容器和電池之間的儲(chǔ)能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點(diǎn)，又具有電池的儲(chǔ)能特性。

超級(jí)電容器，又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容。它與普通電容的區(qū)別是它是一種電化學(xué)的物理部件，但本身并不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，超級(jí)電容的儲(chǔ)電量特別大，達(dá)到法拉級(jí)的電容量。（還有一大類是法拉第準(zhǔn)電容，但是化學(xué)儲(chǔ)能，所以儲(chǔ)能可以深入到電極內(nèi)部，而且高度可逆，儲(chǔ)能比雙層電容器高，但是功率密度低。）

普通電容器：

兩個(gè)絕緣并且靠近的導(dǎo)體——極板，中間夾一個(gè)絕緣物質(zhì)——電介質(zhì)，兩條引線。

沖電時(shí)不顯示級(jí)性（無(wú)正負(fù)級(jí)），電容器的2個(gè)極板與電源相連時(shí)，電路中有電流通過(guò)，使電容器的2個(gè)極板分別帶上等量異種電荷。

超級(jí)電容器工作原理：

當(dāng)外界電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，和普通電容器一樣，極板的正電極儲(chǔ)存正電荷，負(fù)極板儲(chǔ)存負(fù)電荷。在超級(jí)電容器的2個(gè)極板的上電荷電場(chǎng)的作用下，在電解液與電極之間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)。

正電荷和負(fù)電荷以極端的間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫雙電層。超級(jí)電容器的面積來(lái)自一個(gè)多孔的碳基電極材料，這種材料的多孔結(jié)構(gòu)，允許其面積接近2000平方米每克。

電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm，因此電容量大。大多數(shù)超級(jí)電容器可以做到法拉級(jí)別，一般電容的值為1F-5000F。隨著超級(jí)電容器放電，正，負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。由此可以看出，超級(jí)點(diǎn)容器的沖放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。因此充放電壽命很長(zhǎng)，可以達(dá)到50w次以上。

優(yōu)點(diǎn)：

1，電容量大。電極接觸面積大。容量很容易超過(guò)1F。比普通電容器提升了3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。目前單體超級(jí)電容器可以達(dá)到5000F。

2，超長(zhǎng)壽命，充放電大于50萬(wàn)次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。

3，功率密度大。可以瞬間提供高電流。超低串聯(lián)等效電阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)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，2700F的超級(jí)電容器放電流不低于950A，可以到達(dá)1680A）。

4，可以在數(shù)10秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電。

5，可以在很寬的溫度下工作（-40攝氏度-+70攝氏度）低溫性能優(yōu)越。超級(jí)電容充放電過(guò)程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，所以容量隨溫度衰減非常小。電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達(dá)70%。

6，產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。

7，超級(jí)電容可以串并聯(lián)組成成超級(jí)電容模組，可耐壓儲(chǔ)存更高容量。

缺點(diǎn)：

1，能量密度通常還是要低于化學(xué)電池。雖然2010年實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)可以達(dá)到85W.h/kg，而鋰電池可以達(dá)到100-250W.h/kg。

2，自放電率比其他的電化學(xué)電池高。

3，電壓會(huì)隨著放電下降，造成能量損失。超級(jí)電容器2端通常需要與一個(gè)DC/DC變換器相連，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。

4，大電壓比較低：

超級(jí)電容器的儲(chǔ)能為：Q=0.5*C*U^2（單位：焦耳），因?yàn)楝F(xiàn)在超級(jí)電容器的耐壓值都偏小，所以能量密度太低，一般還是和蓄電池混合使用。

石墨烯超級(jí)電容器

石墨烯超級(jí)電容器為基于石墨烯材料的超級(jí)電容器的統(tǒng)稱。由于石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和出色的固有的物理特性，諸如異常高的導(dǎo)電性和大比表面積，石墨烯基材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用具有極大的潛力。石墨烯基材料與傳統(tǒng)的電極材料相比，在能量?jī)?chǔ)存和釋放的過(guò)程中，顯示了一些新穎的特征和機(jī)制。

層層堆疊阻礙石墨烯，片層的雙電層作用的發(fā)揮

石墨烯是一種二維的碳材料，將有序排列的、蜂窩狀、層層堆疊形成的石墨，剝離成單層的薄片時(shí)，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層石墨就被稱為石墨烯。

這種單原子厚度的石墨烯不僅具有超高比的表面積，同時(shí)，石墨本身良好的平面六邊形點(diǎn)陣有利于電子的自由移動(dòng)，從而使其具有超高的導(dǎo)電性，因此被廣泛地應(yīng)用于電極材料的研究中。

尤其是對(duì)于平面化微型超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)，利用石墨烯作為電極材料能夠充分利用石墨烯的優(yōu)勢(shì),不僅能夠進(jìn)一步降低整個(gè)器件薄度、減小體積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電解液離子的快速遷移，從而實(shí)現(xiàn)電荷的高能量存儲(chǔ)。

研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的摻雜可以在其表面誘導(dǎo)形成高的局域電荷，從而提高其化學(xué)活性。但是在摻雜的過(guò)程中，以石墨烯為前軀體，制備出厚度均一、大面積雜原子摻雜的石墨烯薄膜仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

光還原石墨烯微型超級(jí)電容器

超級(jí)電容器的應(yīng)用

超級(jí)電容具有高功率密度和能量密度、使用壽命很長(zhǎng)、尺寸緊湊等特性，當(dāng)它與其它新興的電池技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，可滿足高性能電源應(yīng)用的需求。

快速充電的產(chǎn)品

有一些應(yīng)用適合采用超級(jí)電容系統(tǒng)。這些應(yīng)用實(shí)例包括汽車應(yīng)用(如混合動(dòng)力汽車)和消費(fèi)電子(如數(shù)碼相機(jī))，在數(shù)碼相機(jī)里，超級(jí)電容一起使用。

備份能源

在所有備份燃料電池應(yīng)用中，當(dāng)主電源斷掉后，備份電源需要立刻提供電源。因?yàn)槿剂想姵貜膯?dòng)到滿功率運(yùn)行一般需要10秒到60秒的啟動(dòng)時(shí)間，所以它需要一個(gè)能量緩沖器。 越來(lái)越多的燃料電池公司在考慮將超級(jí)電容作為整個(gè)備份電源封包的一個(gè)組成部分。

電動(dòng)汽車

傳統(tǒng)的蓄電池（如鉛酸電池）由于功率密度偏低。在正常行駛時(shí)，電動(dòng)汽車從蓄電池中吸取的平均功率相當(dāng)?shù)停铀俸团榔聲r(shí)的峰值功率又相當(dāng)高，一輛高性能的電動(dòng)汽車的峰值功率與平均功率之比可達(dá)到16：1。事實(shí)上，電動(dòng)汽車行駛中用于加速和爬坡時(shí)所消耗的能量占到總能耗的2／3。

蓄電池與超級(jí)電容器混合動(dòng)力車的出現(xiàn)很好地解決了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾。其中由蓄電池提供的續(xù)駛里程，而由超級(jí)電容在加速和爬坡需要大功率時(shí)提供短時(shí)的輔助動(dòng)力。超級(jí)電容的能量可以直接取自蓄電池，也可以在電動(dòng)汽車剎車或下坡時(shí)回收可再生的動(dòng)能。

加裝超級(jí)電容還解決了低溫啟動(dòng)困難的問(wèn)題，鉛酸蓄電池的低溫性能也較差，在—40℃時(shí)它的電流輸出能力約是常溫時(shí)的1/10左右。所以造成了機(jī)動(dòng)車的低溫啟動(dòng)困難。而超級(jí)電容的正常工作溫度在-40℃至+70℃之間。機(jī)動(dòng)車在-15℃時(shí)啟動(dòng)已經(jīng)困難，而用超級(jí)電容器即使是在-30℃時(shí)，仍能順利啟動(dòng)。

在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

目前主要的儲(chǔ)能系統(tǒng)有蓄電池和超級(jí)電容器兩種方案。 蓄電池的充放電特性不好，充電時(shí)間長(zhǎng)，充電、放電電流不能太大；蓄電池需要維護(hù)；蓄電池的低溫特性不好，在寒冷季節(jié)容量會(huì)衰減；蓄電池的循環(huán)壽命短，可靠性不強(qiáng)。

超級(jí)電容器的特點(diǎn)突出：高效率、大電流放電、寬電壓范圍、寬溫度范圍、狀態(tài)易監(jiān)控、長(zhǎng)循環(huán)壽命、長(zhǎng)工作壽命、免維護(hù)、環(huán)保。而且風(fēng)力發(fā)電的電流波動(dòng)范圍比較大，超級(jí)電容器又沒(méi)有嚴(yán)格的充電電流限制。因此它極為適合在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這樣的工況環(huán)境中工作。

在飛機(jī)上的應(yīng)用

超級(jí)電容器在以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的直流電源車上的采用,可解決電源車啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間功率不足的技術(shù)難題。同時(shí),在啟動(dòng)瞬間超級(jí)電容器對(duì)直流電源車發(fā)電系統(tǒng)尤其是內(nèi)燃機(jī)具有很大的保護(hù)作用。對(duì)于逆變電源,同樣也可以和超級(jí)電容器結(jié)合組成大功率特種沖擊電源設(shè)備,可提供數(shù)千安培的沖擊電流,供啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)之用。

在數(shù)字電器控制器中的應(yīng)用

電器的制造廠家都會(huì)為電器的控制器添加后備電源，超級(jí)電容的出現(xiàn)給他們帶來(lái)了解決這一問(wèn)題的新的方法，超級(jí)電容因具有容量大、充放電快、還有超長(zhǎng)的工作壽命循環(huán)充放電可以達(dá)到10萬(wàn)次以上、安全可靠無(wú)污染以及其外型和紐扣電池相似使用很方便等特性成為控制器后備電源的選擇。

在軍事上的應(yīng)用

可以用于高能脈沖設(shè)備或者高能脈沖武器。比如激光武器的充能需要瞬間高能供應(yīng)。超級(jí)電容器的瞬間大電流放電正好符合要求。

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的可穿戴、便攜式電子產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的生活中，電子產(chǎn)品逐漸向小巧、可穿戴、可折疊和柔性方向發(fā)展，這就要求為電子產(chǎn)品提供能量的儲(chǔ)存器件具有輕、薄、柔等特點(diǎn)。在眾多儲(chǔ)能器件中，超級(jí)電容器，尤其是柔性全固態(tài)超級(jí)電容器由于具有可快速充放電、高的功率密度、超長(zhǎng)的循環(huán)壽命、安全環(huán)保和優(yōu)良的力學(xué)性能（可在任意變形時(shí)仍保持良好的電化學(xué)性能）以及寬的使用溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)而獲得人們的青睞。