超级电容原理及应用简介

Secondary Battery 可充电池 Ni-Cd Battery 镍镉电池 Possible 能 Hours Li-ion Battery 锂离子电池 Possible 能 Hours Only 3V 仅3伏
Only 3V 仅3伏
Only 1.2V 仅1.2伏 Flat Voltage Until Drained 在放电完毕以前电压变化平坦
超级电容的选用
超级电容器的两个主要应用：高功率脉冲应用和瞬时功率 保持。 高功率脉冲应用特征：瞬时向负载提供大电流； 瞬时功率保持应用特征：要求持续向负载提供功率，持续 时间一般为几秒或几分钟。 高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R)，而瞬时功率 高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R)，而瞬时功率 保持是利用超电容大的静电容量(C)。 保持是利用超电容大的静电容量(C)。 超电容容量的近似计算公式：能量需求= 超电容容量的近似计算公式：能量需求=超电容输出能量。 保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t； 保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t； 超电容输出能量=1/2C(Uwork2 Umin2)， 超电容输出能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)， 因而，可得其容量(忽略由IR 引起的压降)C=I(Uwork+ 因而，可得其容量(忽略由IR 引起的压降)C=I(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)
超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位， 且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较 窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。 超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数， 超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数， 而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。 超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相 反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。 超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。 超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个 循环。 超级电容功率密度较电池高，但能量密度不如电池。但有 超级电容功率密度较电池高，但能量密度不如电池。但有 时可将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能 量存储进行优势互补，不失为一种更好的途径。
（3）超级电容器制作工艺
组合（正、负极、隔膜）—点焊极柱—装壳—注电解液— 组合（正、负极、隔膜）—点焊极柱—装壳—注电解液— 测试分容—组件组合— 测试分容—组件组合—包装入库
超级电容的性能指标
额定容量：以规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充 额定容量： 规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充 电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额定电压后保持2 电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额定电压后保持2-3分钟， 在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的 乘积再除以额定电压值 。 额定电压：可使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V） 额定电压：可使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V） 额定电流： 额定电流：5秒内放电到额定电压一半的电流 等效串联电阻： 规定的恒定电流和频率（DC和大容量的100Hz或小 等效串联电阻：以规定的恒定电流和频率（DC和大容量的100Hz或小 容量的KHz）下的等效串联电阻。 容量的KHz）下的等效串联电阻。 漏电流：一般为10µA/F 漏电流：一般为10µA/F 寿命：在25℃环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60℃的环境温 寿命： 25℃环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60℃ 度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境 度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境 温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为： 电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。 电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。 循环寿命： 20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定 循环寿命： 20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定 电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命 电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命 终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍 终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍 功率密度（kW/kg）和能量密度（wh/kg） 功率密度（kW/kg）和能量密度（wh/kg）
超级电容原理及应用 简介
技术部 孙世强 2009年 18日 2009年4月18日
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超级电容的基本原理
超级电容（supercapacitor），又叫双 超级电容（supercapacitor），又叫双 电层电容(Electrical Doule电层电容(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，即 Capacitor)、黄金电容、法拉电容，即 通过外加电场极化电解质，使电解质 中荷电离子分别在带有相反电荷的电 极表面形成双电层，从而实现储能。 其储能过程是物理过程，没有化学反 应，且过程完全可逆，这与蓄电池电 化学储能过程不同。 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，又具有电池的储能 特性。
超级电容的特点
①.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极 与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板 的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易 超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3 超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3-4个数量级， 目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。 目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。 ②.充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放 充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放 电寿命很难超过1 000次， 电寿命很难超过1 000次， ③.可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不 可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不 低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高 低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高 的放电电流一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿 命将大大缩短。 ④.可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满 电将是极危险的或几乎不可能。 ⑤.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40-+70℃）而蓄电池很难在 可以在很宽的温度范围内正常工作（-40-+70℃ 高温特别是低温环境下工作。 ⑥.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电 池多具有毒性。 ⑦.等效串联电阻ESR相对常规电容器大（10F/2.5V的ESR为110m ）。 等效串联电阻ESR相对常规电容器大（10F/2.5V的ESR为 ⑧.可以任意并联使用一增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。
概述
1、超级电容的原理和特点 2、超级电容的性能指标 3、超级电容与普通物理电容比较 4、超级电容与可充电池比较 5、超级电容的应用
超级电容器的分类
根据使用电极材料的不同可分为两大类： （1）以炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电 荷，本质是静电型能量储存方式，通常被称作双电层电 容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有关， 容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有关， 因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料，从而增 加电容量。例如，活性碳的表面积可达1000m2/g，电容 加电容量。例如，活性碳的表面积可达1000m2/g，电容 量可达100F/g，且碳材料还具有成本低，技术成熟等优 量可达100F/g，且碳材料还具有成本低，技术成熟等优 点，该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。 （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。 与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容 器的容量要大 10～100倍 ，因此可以制成体积非常小、 10～100倍 容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军 事领域。
超级电容器的优缺点 超级电容器的优缺点
优点：在很小的体积下达到法拉级的电容 优点：在很小的体积下达到法拉级的电容 量；无须特别的充电电路和控制放电电路； 和电池相比过充、过放都不对其寿命构成 负面影响；从环保的角度考虑，它是一种 绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存 在像电池接触不牢固等问题 缺点 ：如果使用不当会造成电解质泄漏等 现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大， 因而不可以用于交流电路
超级电容制作工序
（1）非极化电极制作工艺流程
混料和浆（金属氧化物、纤维素溶液）— 混料和浆（金属氧化物、纤维素溶液）—刮浆（导电骨 架）—干燥—烧结—浸渍—水洗—干燥—化成— 架）—干燥—烧结—浸渍—水洗—干燥—化成—烘干
（2）极化电极制作工艺流程
混料和浆（活性炭、粘合剂、导电剂）—拉浆—烘干— 混料和浆（活性炭、粘合剂、导电剂）—拉浆—烘干—裁 剪成形
超级电容与电池的比较
超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电 流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上） 超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和NiLiNiNiCd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达 68年 可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应， 免维护，可密封 温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃
DLC ELNA DLC Charge 可充电性 Charge Time Operation Voltage 输出电压 Discharge 放电特性 Possible 能 Seconds Variable 可变 Voltage Decrease Gradually 电压逐渐变小