超级电容及其应用.doc

什么是超级电容　　超级电容器（supercapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。　　超级电容器向快速充电与大功率发展　　充电1分钟即可驱动小型笔记本电脑运行近1个半小时--在2004年10月于幕张MESSE举行的IT博览会“CEATEC JAPAN”上，这种快速充电的演示成了人们关心的话题。　　 一般笔记本电脑的充电电池要充满电至少需要1个小时。但“双电层电容器”却大幅缩短了这一时间。超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。超级电容器也可以分为两类：（1）以活性炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，通常被称作双电层电容器(DLC);(2)以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器。 　　 作为一种新型储能元件，电化学电容器的电容量可高达法拉级甚至上万法拉，能够实现快速充放电和大电流发电，并比蓄电池具有更高的功率密度(可达1,000W/kg数量级)、和更长的循环使用寿命(充放电次数可达10万次)，同时可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。 这些特点使得电化学电容器在电动汽车、通讯、消费和娱乐电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。有业内专家预测，仅就中国市场而言，目前的年需求量可达2,150万只，而整个亚太地区的总需求量则超过9,000万只。美国市场研究公司Frost Sullivan不久前发布的一份报告也预计，2002年到2009年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入这两项数据将分别以157%和49%的年复合增长率保持高速增长。　　超级电容半永久性使用无需更换 　 　　传统的充电电池由于通过电解液与电极之间发生的化学反应来产生电力，因此充电时需要花费一定的时间。经过多次充电和放电后，电解液逐渐分解、材料变质，性能也随之下降，用上几年后大都需要更换。与此相比，电容器不产生化学反应，可以直接将电力贮存起来。不仅充电所需的时间非常短，还能在瞬间释放出大量电流，输出功率很大。由于充电和放电可反复进行数十万次以上，所以基本上无需更换，可以半永久性地使用。 　　 但原有的电容器存在能量密度低的缺点，如果电流强的话不能长时间保持。因此，像原来钮扣型电容器那样的小型产品，只能作为电子设备内存等部件的备用电源来使用。近年来，能量密度得到提高的大容量电容器相继问世，但尺寸也随之增大。因此应用范围被局限于混合动力卡车等对尺寸要求不太严格的产品。前面提到的演示活动使用的电容器就属于这一类，长宽都是20cm，厚度在5cm左右。 　　 从近来的发展趋势来看，电容器电池大幅度减小尺寸已经指日可待。因为能量密度可望提高到与镍氢充电电池相当的水平。干电池大小的镍氢电池产品已经得到广泛普及。也就是说，可快速充电、半永久性使用的充电电池也已经有望将体积减小到只有干电池的大小。　　超级电容器为何不同与传统电容器　　超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。 传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离（10 ?）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。 这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。　　超级电容器充放电时间　　超级电容器可以快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制，甚至短路也不是致命的。实际上决定于电容器单体大小，对于匹配负载，小单体可放10A，大单体可放1000A。另一放电率的限制条件是热，反复地以剧烈的速率放电将使电容器温度升高，最终导致断路。超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数τ在1-2s，完全给阻-容式电路放电大约需要5τ，也就是说如果短路放电大约需要5-10s（