超级电容器综述
超级电容原理及应用
超级电容原理及应用摘要随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。
在一些需要高功率、高效率解决方案的设计中，工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池。
电池技术的缺陷Li离子、NiMH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。
超级电容器的特点和优势超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。
同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。
除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。
所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出小电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流。
因此，必须采用恒流或恒压充电器。
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。
关键词电子技术;超级电容器;综述;原理;应用AbstractAlong with society economy of development, people for green energy and ecosystem environment more and more concern, the super capacitor be 1 kind to newly keep ability spare part, because it have no can act for of the superiority be more and more valued by people.In some demand the Gao the design of the power, high-efficiency solution, engineer already beginning adoption super capacitor to replace tradition of battery.The blemish of battery techniqueThe new battery of the Li ion, NiMH etc. can provide the energy of a credibility storage project, and already extensive in a lot of realm usage.Know to all, the chemistry battery pass electricity chemical reaction, creation the farad electric charge transfer to storage electric charge of, the service life be shorter, and be subjected to temperature influence bigger, this also similarly adoption the lead sour battery(storage battery) of design face of difficulty.In the meantime, big electric current would direct influence the life span of thesebatteries, therefore, for request longevity life, Gao credibility of some application, these show according to the battery of chemical reaction various shortage.The characteristics and advantage of super capacitorThe principle not new technique of super capacitor, familiar super capacitor mostly is double electricity layer structure, compared with the electrolysis capacitor, this kind of super density and power density of the capacitor energy all very Gao.Together tradition of the capacitor and two battery compare, super capacitor storage electric charge of ability ratio common capacitor Gao, and have to refresh and discharge speed quick, efficiency Gao, free from pollution to environment, circulation life span long, usage temperature scope breadth, the safety Gao Deng3's characteristics.In addition to fast charge with turn on electricity, the another main characteristics of super capacitor be a low resistance.So, when a super capacitor drive all turn on electricity, it performance small electric resistance characteristic, if there is no restriction, it would the Ye take possibility of source electric current.Therefore, have to the adoption Heng flow or constant pressure charger.10 year ago, super capacitor every year can sell go to seldom of amount,and price cost a lot, about USD 1~2/method pull, now, super capacitor alreadyBe standard product large quantity quantity supply market, the price alsoconsumedly lower, average USD 0.01~0.02/method pull.In the last few years in,the super capacitor have already started get into a lot of application realm,such as consume realms such as electronics, industry and transportation industryetc..KEY WORD electron technology;supercapacitors;review;principles;applications目录第一章绪言 (1)第二章超级电容器的原理及结构 (1)第一节超级电容器结构 (1)第二节工作原理及超级电容器储能系统...... (3)第三节主要特点 (4)第三章超级电容器特性 (5)第一节额定容量 (5)第二节额定电压 (5)第三节额定电流 (6)第四节最大存储能量 (6)第五节能量密度 (6)第六节功率密度 (6)第七节等效串联电阻 (6)第八节阻抗频率特性 (7)第九节工作与存储温度 (7)第十节漏电流 (7)第十一节寿命 (7)第十二节循环寿命 (7)第十三节发热 (8)第四章等效电路模型 (8)第五章超级电容器使用实例 (11)第六章超级电容器使用注意事项...... (18)第七章如何选择超级电容器超级电容器的两个主要应用...... .. (18)第八章结论 (20)谢辞 (21)参考文献 (22)第一章绪言电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。
超级电容器的研究
3、表面官能团
主要通过两种途径： 1）改变表面的润湿性能 2）官能团自身发生可逆的氧化还原反应 从制备高容量、耐高压、稳定性好的电容器角度 出发 , 要求活性炭材料表面的官能团有一个合适 的比例。
4、微晶结构
对超级电容器来说,中孔比例大一些比较好 中孔碳材料的方法主要有三种: 1）催化活化法 2）混合聚合物炭化法 3）模板炭化法
3、发展趋势：
• 提高性能、降低成本是超级电容器发展的主旋律。 • 从超级电容器的发展历史来看，电容器虽然能够 提供高功率，但电容器不能像电池一样提供高的 重量能量比，期望将来超级电容器能够代替电池 作为储能元件，兼具高能量和高功率的性能。 • 超级电容器是绿色环保、能源开发的重要方向之 一，它的研发必将带动整个电子产业及相关行业 的发展，目前国内超级电容器的开发生产刚刚起 步，具有广阔的发展空间。
双电层原理示意图
2. 性能特点
—介于电池和物理电容器之间
性 能 铅酸电池 1-5小时 超级电容器 0.3-若干秒 普通电容器 10-3—10-6秒
充电时间
放电时间
比能Wh/kg 循环寿命 比功率W/kg 充放电效率
0.3-3小时
30- 40 300 < 300 0.7-0.85
0.3-若干秒
1- 20 >10000 >1000 0.85-0.98
2) 赝电容型超级电容器
(1) 金属氧化物材料 • 贵金属氧化物材料 —RuO2：无定型RuO2拥有更高 的电导率，更高的比电容，更高的电化学可逆性。 • 替代RuO2的廉价金属氧化物材料—MnO2和NiO。
(2) 导电聚合物材料 聚苯胺(PANI)、聚吡 (PPy)和聚噻吩(PTh) 他们的一些相关衍生 物。 优点： 价格低廉、对环境友 好、高导电率、高度 可逆以及活性可控。
超级电容介绍
超级电容器通常耐压为2.5--3V，也有耐压为1.6V的产品。主要有美国、 德国、日本、韩国、俄罗斯和中国等国家生产。比较知名的公司有：Maxweii、 Epcos、Nesscep、ELNA、NEC、松下等。我国有锦州超容等企业，从容量 上看有机系的国外达到2.7V/5 000F，国内的锦州超容接近这一水平。体积在 逐年减小，120F/2.7V已做到直径20毫米高40毫米，3F/2.7V直径8毫米高20 毫米。ESR在小容量中接近0.3Ω.F，大容量接近0.45Ω.F，0.5Ω.F。能量密度 和功率密度分别达到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循环寿命 和寿命分别达到500 000次和90 000小时。
超级电容器的大电容量主要来源于两个方面 1.碳电极的超大比表面积 2.正负电荷层层间分子级别的间距
问题：
1、如果将电解液电解质替换成固体电解质，怎么保证电极 的超大比表面积
2、能不能在电极和电解液层面之间添加一些更高介电常数 的电解质
固体电解质
也称超离子导体,有时又叫做固体电解质它区别于一般离子导体的 最基本特征是在一定的温度范围内具有能与液体电解质相比拟的离子 电导率(0.01Ω·cm)和低的离子电导激活能(≤0.40eV)。 1834年M.法拉第首先观察到AgS中的离子传输现象。但当时尚不 能理解这一发现的意义。 1935年发现 AgI在147C从低温相转变到高温相时，电导率增加了 四个数量级，这个相变是由一般离子导体到快离子导体的相变。1961 年合成了第一个室温快离子导体 AgSI。 1967年前后相继发现了具有实用价值的快离子导体RbAgI和NaAIO 1978年又发现了室温铜离子导体RbCu16ICl13。
理论基础：双电层理论
超级电容器材料的研究及应用
超级电容器材料的研究及应用超级电容器是一种利用电场存储电能的能量存储器，其在电化学和电磁学理论上都有一定的发展。
超级电容器具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，在现代航空、汽车、宇航和智能电网等领域有着广泛的应用。
而超级电容器的核心是电极材料，所以先进的电极材料能够带来超级电容器工作性能更好的表现。
一、超级电容器电极材料的研究现状目前，超级电容器电极材料的研究集中在以下领域：（1）金属氧化物材料的研究。
金属氧化物，如钼酸锂、钴酸镍等，具有优异的电极电化学性能，同时元素资源广泛，价格低廉，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究与应用。
（2）碳材料的研究。
碳材料是制备超级电容器电极材料的主要原材料之一，具有良好的导电性和热稳定性。
而以活性炭为代表的多孔碳材料还具有大表面积、高比电容等优良性质，因此在超级电容器电极材料以及电池、传感器等领域应用广泛。
（3）二维材料的研究。
二维材料，如石墨烯和硼氮化物，具有高比表面积、方便处理的优势，已被广泛研究作为超级电容器电极材料。
尤其石墨烯由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性等特性，在超级电容器电极材料研究中被广泛关注。
（4）金属有机骨架材料的研究。
金属有机骨架材料，即MOFs，是由金属离子和有机配体组成的晶态材料，具有极大的内孔体积以及可调控的孔径和结构。
这种新型材料具有极高的表面积和储能密度，是超级电容器电极材料研究的热点之一。
二、超级电容器电极材料的制备方法超级电容器电极材料的制备方法主要分为化学还原法、水热法、煅烧法、氧化还原电位法等。
其中化学法是制备超级电容器电极材料的常规方法，其通过调节反应条件，可控制电化学行为，实现材料的优异电化学性能；而水热合成是在相对低的温度和压力下，通过压剂或表面修饰剂，实现材料形貌和结构的微观调控；氧化还原电位法是通过扫描电位电化学法控制电位，调控材料的化学反应，从而实现精准控制。
三、超级电容器材料的应用超级电容器在现代工业、航空、军事、医学等领域得到了广泛的应用。
超级电容知识科普
超级电容知识科普
超级电容是一种新型的电子元件，它具有高能量密度、长寿命、快速充放电等特点，被广泛应用于电子设备、汽车、航空航天等领域。
本文将为大家科普超级电容的相关知识。
超级电容的能量密度比传统电容器高出数倍，这是因为它采用了高表面积的电极材料和纳米级的孔隙结构，使得电荷可以在电极表面和孔隙中存储，从而提高了能量密度。
此外，超级电容的电极材料通常采用活性炭、氧化铁等材料，这些材料具有良好的导电性和化学稳定性，可以保证超级电容的长寿命。
超级电容的充放电速度非常快，可以在几秒钟内完成充放电过程。
这是因为超级电容的电荷存储机制不同于传统电容器，它采用了电化学反应来存储电荷，这种反应速度非常快，可以实现快速充放电。
超级电容的应用非常广泛。
在电子设备方面，超级电容可以用于储能、平衡电压、稳定电流等方面，可以提高电子设备的性能和稳定性。
在汽车领域，超级电容可以用于回收制动能量、启动辅助电机等方面，可以提高汽车的能效和安全性。
在航空航天领域，超级电容可以用于储能、供电等方面，可以提高航空航天器的性能和可靠性。
超级电容是一种非常有前途的电子元件，它具有高能量密度、长寿命、快速充放电等特点，可以应用于电子设备、汽车、航空航天等
领域，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。
超级电容器在储能领域的应用及性能优化
超级电容器在储能领域的应用及性能优化超级电容器（Supercapacitor）是一种储能装置，具有高能量密度、长循环寿命和快速充电与放电等优点。
它在能量存储和释放中具有广泛的应用，特别是在储能领域。
本文将探讨超级电容器在储能领域的应用，并提出相应的性能优化策略。
一、超级电容器在储能领域的应用1. 瞬态储能应用：超级电容器具有快速充电和放电的特性，在电能转换、电路稳定性和负载平衡等方面发挥重要作用，在瞬态储能应用中广泛使用。
例如，电动车和混合动力车通常利用超级电容器存储制动能量，并在需要时释放能量以提高车辆的燃料效率。
2. 供电备份应用：超级电容器具有长循环寿命和较低的能量损耗，适用于供电备份应用。
在电网故障或突发停电时，超级电容器可以提供短时的备用电源，确保关键设备的正常运行，减少生产或生活中的损失。
3. 可再生能源平滑输出：超级电容器可用于可再生能源系统中的平滑输出。
由于可再生能源的天气和变化的风速等因素的不稳定性，使用超级电容器可以存储能量并平滑输出，以在不稳定的环境中提供稳定的电力供应。
4. 电子设备稳压和滤波：超级电容器在电子设备中的应用日益增多，可用于滤波和稳压。
通过将超级电容器与传统电容器和电池结合使用，可以提高电子设备的功率密度和稳定性。
二、超级电容器性能优化策略为了进一步提高超级电容器的性能，在储能领域的应用中，我们可以采取以下策略：1. 电极材料优化：电极是超级电容器的核心组件之一，其材料的选择和优化对性能起着关键作用。
研究人员可以通过合成新型纳米材料、涂敷活性物质以增加电极表面积、优化电极结构等方法来改善电极性能，从而提高超级电容器的能量密度和功率密度。
2. 电解质优化：电解质是超级电容器电极之间的介质，对电容器的功率密度和循环寿命具有直接影响。
优化电解质的离子导电性和稳定性，可以提高超级电容器的性能。
例如，研究人员可以改变电解质的组成、添加添加剂或调整电解质浓度等方式来改善电解质性能。
超级电容器基本原理及性能特点
超级电容器基本原理及性能特点中心议题：•超级电容器的原理、结构和特点•Maxwell超级电容器结构•超级电容选型与应用超级电容的容量比通常的电容器大得多。
由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。
超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
超级电容器原理电化学双层电容器（EDLC）因超级电容器被我们所熟知。
超级电容器利用静电极化电解溶液的方式储存能量。
虽然它是一个电化学器件，但它的能量储存机制却一点也不涉及化学反应。
这个机制是高度可逆的，它允许超级电容器充电放电达十万甚至数百万次。
超级电容器可以被视为在两个极板外加电压时被电解液隔开的两个互不相关的多孔板。
对正极板施加的电势吸引电解液中的负离子，而负面板电势吸引正离子。
这有效地创建了两个电荷储层，在正极板分离出一层，并在负极板分离出另外一层。
传统的电解电容器存储区域来自平面，导电材料薄板。
高电容是通过大量的材料折叠。
可能通过进一步增加其表面纹理，进一步增加它的表面积。
过去传统的电容器用介质分离电极，这些介质多数为：塑料，纸或薄膜陶瓷。
电介质越薄，在空间受限的区域越可以获得更多的区域。
可以实现对介质厚度的表面面积限制的定义。
超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料。
这种材料的多孔结构，允许其面积接近2000平方米每克，远远大于通过使用塑料或薄膜陶瓷。
超级电容器的充电距离取决于电解液中被吸引到电极的带电离子的大小。
这个距离（小于10埃）远远小于通过使用常规电介质材料的距离。
巨大的表面面积的组合和极小的充电距离使超级电容器相对传统的电容器具有极大的优越性。
超级电容可以用做后备电源，类似于UPS，在系统突然断电后，负责在极短时间内为系统提供能量。
在这种应用中，需要后备电源有快速的启动时间。
由于超级电容是物理反应的方式储存电能，充放电速度快，相对电池有着更为快速的响应时间。
超级电容器技术简介
超级电容器技术的研究背景及发展现状1. 研究背景随着科技的进步及社会文明程度的提高，能源问题已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时，也是促进能源科技发展的巨大推动力。
进入二十一世纪之后，能源短缺和环境恶化的问题日益严重，这促使人们应更加重视建立确保经济可持续增长、有利于环境的能源供应体系，节能和扩大新能源开发利用成为世界性的趋势。
石油作为一种不可再生资源，随着人类需求的不断增长，已面临严重的短缺，并由此不断引发全球性的社会、经济、政治问题。
而且，全球燃油汽车消费量的不断增加，燃油汽车排放的NO x和CO x对全球环境带来严重污染，并导致地球温室效应。
开发更加清洁、环保的电动汽车被认为是解决能源问题和环保问题的一条有效途径，目前已成为全球性的研究热点。
电动汽车的研究经过多年的研发，特别是最近十年来的集中研究，已经对电动汽车有了比较统一的认识。
纯电动汽车（镍氢电池或锂离子电池作主电源）适合于短途应用，燃料电池电动车由于技术和成本因素在二十到三十年内不具备商业化应用的竞争力，而混合电动车（“油＋电”混合，）被认为是最接近商业化的技术模式。
“油＋电”混合电动车中的“电”主要是指二次电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。
目前，商品化的二次电池虽然具有较高的比能量，但比功率都很低，一般不超过500W/kg，而且电池在高脉冲电流放电或大电流充电时会影响其使用寿命，并引起电池内部发热、升温，存在安全隐患。
燃料电池同样是一种低比功率的储能元件，耐大电流充放电能力差。
单独使用电池作为动力电源无法满足电动汽车对电源系统的要求。
从能源的利用形态来看，电能作为能量利用的最终形态，已成为人类物质生产和社会发展不可缺少的“源动力”。
近年来，小型分立的可移动电源的发展更是增加了电能的利用形式和应用范围。
电能除了通过固有的电网系统应用于工业和家庭生活外，通过可移动电源（如铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池）等“承载体”更是成为随时随地均可便捷使用的动力源，极大方便了人们的物质文化生活。
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超级电容器综述
超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是一种新型储能器件，它利用电极/电解质交界面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化还原反应来储存能量。
超级电容器采用活性碳材料制作成多孔碳电极，同时在相对的多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别*正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别*到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层。
由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积），而且电解质与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度），所以这种双电层结构的超级电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。
目前国际上研究与发展的超级电容器可归为以下几类：
●双层电容器（Double layer capacitor）
由高表面碳电极在水溶液电解质（如硫酸等）或有机电解质溶液中形成的双电层电容，如图6-12.1所示。
该图还表示出一个典型双电层的形成原理，显然双电层是在电极材料（包括其空隙中）与电解质交界面两侧形成的，双电层电容量的大小取决于双电层上分离电荷的数量，因此电极材料和电解质对电容量的影响最大。
一般都采用多孔高表面积碳作为双层电容器电极材料，其比表面积可达1000－3000m2/g，比电容可达280F/g。
●赝电容器（Pseudo－capacitor）
由电极表面上或者体相中的二维或准二维空间上发生活性材料的欠电位沉积，形成高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应产生和电极充电电位有关的电容，又称法拉第准电容；典型的赝电容器是由金属氧化物，如氧化钌构成的，其比电容高达760F/g。
但由于氧化钌太贵，现已开始采用氧化钴、氧化镍和二氧化锰来取代；
●混合电容器（Hybrid capacitor）
由半个形成双层电容的碳电极与半个导电聚合物或其他无机化合物的表面反应或电极嵌入反应电极等构成。
目前在水溶液电解质体系中，已有碳/氧化镍混合电容器产品，同时正在发展有机电解质体系的碳/碳（锂离子嵌入反应碳材料）、碳/二氧化锰等混合电容器。
此外，若按照电容器采用的电极材料分类，则可分为碳基型、氧化物型和导电聚合物型；而按采用的电解质类型分类，则又分为水溶液电解质型和非水电解质型（主要为有机电解质型）。
在有机电解质溶液中，电容器的工作电压可提高至2.5V以上。
超级电容器的性能特点
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，性能比较详见下表。
超级电容器作为一种新型能源器件，具有以下主要优点：
（1）功率密度高
超级电容器的内阻很小，且在电极/溶液界面和电极材料本体内部均能够实现电荷的快速贮存和释放，因此它的输出功率密度高达数千瓦/千克，是任何一种化学电源都无法比拟的，是一般技术'>蓄电池的数十倍。
（2）充放电循环寿命长
超级电容器在充放电过程中只有离子和电荷的传递，没有发生电化学反应而引起相变，因此其容量几乎没有衰减，循环寿命可达万次以上，远远大于蓄电池的充放电循环寿命。
（3）充电时间短
从目前已经做出的超级电容器充电试验结果来看，在电流密度为7mA/cm2时（相当于一般蓄电池充电电流密度），全充电时间只要10~12分钟，而蓄电池在这么短的时间内是无法实现全充电的。
（4）特殊的功率密度和适度能量密度
对于普通蓄电池来说，如果能量密度高，其功率密度不会太高；而功率密度高，其能量密度则不会太高。
但超级电容器在提供1～5kW/kg高功率密度输出的同时，其能量密度可以达到5～20Wh/kg。
若将它与蓄电池组合起来，就会组成为一个兼有高能量密度和高功率密度输出的储能系统。
（5）贮存寿命长
超级电容器在充电之后的贮存过程中，虽然也存在微小的漏电电流，但这种发生在超级电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应，电极材料在电解质中也是相对稳定的，因此超级电容器的贮存寿命几乎是无限的。
（6）工作温度范围宽
超级电容器可在-50～+75℃的温度条件下工作，性能优于传统电容器和蓄电池。
超级电容器的应用
超级电容器的脉冲功率性能、较长的应用产品寿命、能够在极端的温度环境中可靠操作的特点，完全适合于那些需要在几分之一秒至几分钟时间的重复电能脉冲的应用产品，使其成为运输、可再生能源、工业与消费电子以及其它应用产品的首选蓄能与电力传输解决方案，例如在电动汽车（EV/HEV）、军工、轻轨、航空、电动自行车、后备电源、发电（风能发电、太阳能发电）、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。
近年来，由于能源问题和环境保护的要求，世界上对电动汽车和混合动力汽车的需求越来越紧迫，电动汽车的关键部分是蓄电池，但蓄电池的峰值功率特性无法满足汽车在启动、加速和爬坡等特殊情况下对功率的需求。
超级电容器在电动汽车中与蓄电池并联作辅助电源上的应用，可以弥补蓄电池在功率特性方面的不足。
当汽车处于正常行驶状态时，超级电容器处于充电状态，在加速或载重爬坡特殊情况下由超级电容器实现高功率放电，突然制动时，则通过超级电容器的高功率充电吸收制动过程中产生的能量。
超级电容器的使用可以满足电动汽车的启动、制动和爬坡时对高功率放电的需求，起到平衡蓄电池负载的作用，可以延长蓄电池的使用寿命。