超级电容器的原理及应用

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　　摘要：超级电容器是介于传统电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。超级电容器因其具有高比功率、能迅速充放電、绿色环保、无须维护等优点，越来越受到人们的重视，也逐渐应用于生活中的方方面面。本文着重介绍了超级电容器的储能原理和主要应用领域，并且对超级电容器的性能特点及分类做了简要阐述。
　　关键词：超级电容器;储能原理;性能特点;应用领域
　　1简介
　　在宏观经济市场的条件下，人们的物质水平及生活质量在不断地提高，对能源的需求也逐渐增大，造成能源危机日益加重。面对日益严重的能源危机和传统普通电池存在使用寿命较短、污染环境等劣势现象，使得人们不得不开始寻找新型能源的开发利用。超级电容器（Supercapacitors）就是在如何解决人们日益增长的物质需求与我国现存的能源短缺的矛盾的条件下应运而生。超级电容器是一种新型的电化学储能装置，其储能过程高度可逆。经研究发现：超级电容器具有法拉级的大容量，其功率密度远大于普通电池的功率密度，并且兼具充放电效率高、绿色环保、无需维护等特点。正是由于超级电容器具备的这些特点，使得人们一再重视并不断研究如何提高超级电容器性能的课题。但是，与普通电池相比，超级电容器的能量密度远低于普通电池，这一原因在一定程度上限制了超级电容器的发展。如何增大超级电容器的比容量，成为发展超级电容器面临的难题之一。有学者提出：普通电池具有很大的比容量，将超级电容器与普通电池结合起来使用，充分发挥两者的优点，扬其长避其短，是未来储能器件的发展方向之一。
　　2超级电容器的概述
　　2.1超级电容器的基本概念
　　超级电容器是一类类似于蓄电池而又有一定程度差别的储能装置。它是一种介于普通电池和普通电容器之间的电化学元件，能量的储存主要是通过极化电解质。其储能过程不仅高度可逆，而且是物理变化过程。因此，超级电容器既能够反复充放电，又不会对比电容产生任何影响。
　　2.2超级电容器的储能原理
　　按照储能原理机制，超级电容器分为以下两类：双电层电容和准电容（又称法拉第赝电容）。
　　（1）双电层电容。双电层电容器储存能量的途径，主要是通过电极和电解质之间形成的界面双层。[1]所谓界面双层，是指在双电层电容器中电极与电解液相互接触，在库伦力、分子及原子间作用力的相互影响下，固液界面上出现稳定的、符号相反的双层电荷。a.充电过程：在两电极上施加电场，在电场的作用下，电解液中的阴阳离子分别向正负两极移动，从而形成双电层;撤去电场后，利用同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引的性质，实现双电层的稳定，产生稳定的电势差。b.放电过程：将电极与外电路连通，在电势差的作用下，电子发生定向移动形成外电流。此时吸附在电极表面上的阴阳离子回到电解液本体，双电层解体。
　　（2）准电容。准电容器主要是指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电容较大。[2]a.充电过程：将电极与外电路连通，在外电场的作用下，电极或溶液表面聚集大量的阴阳离子，通过氧化还原反应，这些离子进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而实现电荷的储存。b.放电过程：进入氧化物中的离子通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时将所存储的电荷通过外电路释放出来。
　　2.3超级电容器的分类
　　对于超级电容器而言，可从不同方面对其进行分类，具体分类如下：
　　（1）从储能原理方面，可分为双电层电容器、准电容器和混合型电容器。混合型电容器解决了蓄电池的功率密度低和超级电容器能量密度较低的缺点，而且不必借助串联结构，混合型超级电容器就能满足工作电压的需求。
　　（2）从电极材料方面，可分为碳电极电容器、导电聚合物电容器和贵金属氧化物电极电容器。其中由于活性炭的成本较低、比表面积高、容量大等优点而被广泛应用。
　　（3）从电极上的反应情况及结构方面，可分为对称型和非对称型超级电容器。对称型超级电容器的特点是电极组成相同、反应相同、反应方向相反;非对称型超级电容器的特点是电极组成不同、反应不同。
　　3超级电容器的特点
　　3.1超级电容器的优点
　　相对于其它储能装置而言，超级电容器主要有以下几点优势[3]：（1）高比功率：超级电容器的功率密度是普通电池的10～100倍。（2）使用寿命长、充放电效率高：超级电容器的充放电过程是物理变化，理论上可充放电数十万次乃至无穷大，而且能够迅速充放电。（3）作用温度范围宽：在超级电容器的充放电过程中，电荷的转移主要是在电极活性物质表面进行，随温度的变化其容量不会发生较大的变化，在-40～70摄氏度的环境下均能正常工作。（4）可靠性高：久置不用，普通电池和超级电容器都会发生电压降低的现象，对它们进行充电便可使电压复原。与普通电池不同的是，超级电容器的容量性能不会因此受到任何影响。（5）绿色环保、无污染：超级电容器在生产、装备、工作过程中不会产生污染环境的物质，并且线路简单，可以直接读出剩余电量，检测方便。
　　3.2超级电容器的缺点
　　（1）能量密度低：相较于普通电池，超级电容器的能量密度远低于普通电池的能量密度。（2）耐压较低：单体电压低，受制于超级电容器的电解溶液的分解电压。（3）成本高，和铝电解电容器相比，超级电容器的内阻较大，不可以用于交流电路。
　　3.3超级电容器与其他储能装置的比较
　　4超级电容器的主要应用领域
　　4.1运输方面
　　超级电容器在运输方面主要应用于电动汽车和混合动力汽车领域。电动汽车和混合动力汽车对动力能源的要求较高，蓄电池受其自身的功率输出、寿命、充放电效率等方面的限制，无法在最大程度上满足机车的需求。而超级电容器-蓄电池组能够提高机车的启动性，在一定程度上能很好地满足机动车在启动、加速、爬坡时对功率的要求，并且在温度较低的条件下，能够正常启动且一次性启动。为尽量减少大电流充放电对电池造成的负面影响，需要超级电容器与动力电池的相互配合，从而延长电池寿命。与此同时，超级电容器还能够通过再生制动系统将瞬间能量收回，提高能量利用率。[4] 　　4.2消费电子方面
　　超级电容器具有在短时间内能够迅速完成充电、提供瞬时大电流的特点，可以在系统电压突然降低的情况下，充当后备电源的作用。例如主电源突然发生中断、接触不良或负载过大等，超级电容器可以避免由于突然断电对用电器产生的不良影响。
　　4.3可再生能源发电分布式电力系统
　　超级电容具有高比功率、使用寿命长、储能效率高、无须维护等特点，在可再生能源发电或分布式电力系统领域中，可以弥补发电设备输出功率的不稳定性和不可预测性的劣势。在高压开关站及变电站硅整流分合闸装置领域中，由于超级电容器能够有效地解决传统电解电容器储能低及漏电流大造成的分合闸装置可靠性差等问题，传统电解电容器逐渐被超级电容器替代。超级电容器也可应用于分布式电网。分布式电网系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量出现紧缺时，通过控制单元再将存储的能量释放出来，这能够准确快速地补偿系统所需要的能量，实现电能平衡机制的稳定控制。[5]同时，超级电容器还可以改善电网质量。
　　4.4变频驱动系统的能量缓冲器
　　超级电容器和功率变换器构成的能量缓冲器，可以应用于电梯等变驱动系统，加速時，向驱动系统的直流母线提供电流，从而提供电机所需的峰值功率;减速时，电机通过变频器向直流母线进行能量回收。在动力UPS系统中，超级电容器可以作为能量直流储能组件，其可以避免由多节蓄电池串联所带来的一系列的问题，并且降低成本，便于维护，提高UPS设备的可靠性。[6]
　　4.5军事装备
　　军事装备要求储能单元可靠、轻便并且隐蔽性要强，但很多的军用装备不能够直接通过公共电网供电，而是需要配置发电设备和储能装置。混合型超级电容器在一定程度上能够满足军事装备的需求：能够大幅度减轻背负设备的重量;解决常规潜艇中蓄电池寿命短暂的问题;解决运输车等车辆的低温启动性困难的问题，另外还可以提高车辆的动力性和隐蔽性。
　　5结语
　　超级电容器凭借自身具有高比功率、充放电效率高、寿命长的优势，填补了普通电池与普通电容器之间的空白，并且逐渐应用于生活、军事、工业等方方面面。但同时由于锂电池的快速发展，使得超级电容器的发展空间受到一定的限制。虽然超级电容器存在一定程度的不足之处，但是其未来的发展空间是值得我们每一个人期待的。
　　参考文献：
　　[1]邹景澍.基于超级电容器的储能系统控制策略的研究.西南交通大学，2017.
　　[2]曹成琦.城轨车载超级电容储能系统研究.湖南工业大学，2016.
　　[3]丰骏，朱云松，丁晓峰.浅析超级电容器的应用及发展趋势[J].山东工业技术，2018（24）：176.
　　[4]赵腾，秦刚，陈中孝，张振宇.分布式电源的微电网储能系统仿真[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18（08）：1-4+10.
　　[5]黄晓斌，张熊，韦统振，齐智平，马衍伟.超级电容器的发展及应用现状.电工电能新技术，2017：63-70.
　　[6]陈雪丹，陈硕翼，乔志军，傅冠生，阮殿波.超级电容器的应用.储能科学与技术，2016：800-806.
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