什么是超级电容器

随着科技的进步，现代研发生产中越来越注重高效率、低能耗，全球都在倡导绿色环保。正如我们所知的，很多能源的消耗必然伴随着污染环境的废弃物产生。于是，超级电容器应运而生。很多然对于电容器尚且不是十分了解，更何况超级电容以及超级电容的作用。那我们今天就来讲一讲什么是超级电容以及超级电容器的作用是什么。

超级电容.png

一、什么超级电容

超级电容，又名电化学电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。

超级电容器的“超级”是来与一般电容器相比拟的。

超级电容器也叫法拉电容、黄金电容，具有超大的法拉级电容量。超级电容器的基本类型是利用双电层原理制成的电容器，它是超级电容器中最重要的一种类型。它和一般电容器不同，一般电容器是靠电解质极化能力取得电容量的，而双电层电容器是靠固体和固体，或液体和固体界面处存在的正负双电层来取得容量的。

双电层电容器的电容量取决于界面双电层电荷，这种电荷不同于电解质的极化电荷。因此，双电层电容器的工作原理完全不同于用氧化物介电质作储电材料的电解电容，及陶瓷电容等普通电容器，它的静电容量可达到几法拉到上百法拉，成为一种介于电容和电池之间的新型电子组件。

二、超级电容器的作用是什么

因为超级电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

超级电容的作用如下：

1.超级电容器可以将分离出的电荷中能量存储下来，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。

2.超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结构允许其面积达到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。超级电容器可以使得该距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。

3.超级电容器凭借其庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离可以产生巨大的静电容量。

以上只是超级电容的作用的主要部分，超级电容的作用远远超乎我们的想象。

其实，如今我们的身边已经有很多超级电容应用的领域，最常见的就是使用了超级电容的汽车。超级电容的作用其实十分的广泛，它可以应用于我们日常生活中各个地方

是一种新型储能装置，它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色 环保 等特点。超级电容器用途广泛。那么，下面就给大家介绍 超级电容器 的工作原理，一起看看吧。

超级电容器是什么

概述

超级电容器又叫电化学电容器、黄金电容、法拉电容，；包括双电层电容器和赝电容器,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，实际上形成两个电容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。

它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离要小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。

双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。

超级电容器的工作原理

超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

超级电容器的特性

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（

超级电容也称双电层电容器，是一种新型储能装置。超级电容器具有使用寿命长、充电时间短、清洁无污染、大电流放电能力强、功率密度高等优点，成为电动汽车电池发展的希望。随着电动汽车的逐渐走俏，超级电容将迎来快速发展期。

超级电容器（也称为超级电容、超电容器）是一种介于电解电容器和可充电电池之间的大容量的电容器。其电容值远高于其他电容，但受限于较窄的电压范围，它们通常是电解电容器每单位体积或质量所能存储能量的10到100倍，能够比电池更快的充放电，并且比可充电电池允许更多的充电和放电循环。

超级电容器一般用于需要多次快速充放电循环而不是长期紧凑储能的应用中，例如:家用汽车、公共汽车、火车、起重机和电梯中。它们被用于再生制动、短期储能或突发模式下的电力输送。[3]较小的这种电容器可以用作静态随机存取存储器的存储器备份。

与传统的电容器不同，超级电容器不使用传统的固体电介质，而是使用双电层电容和电化学赝电容，[4]这两者通过稍有差异的方式一起提供了电容器的全部电容:

双电层电容器（EDLCs） 使用具有双电层电容以及少量电化学赝电容的碳电极或其衍生物，实现了在位于导电电极表面和电解液的接触面上的亥姆霍兹双电层中的电荷分离。该电荷分离现象约为几个埃的数量级(0.3–0.8 纳米)，比传统电容器要小得多。

电化学赝电容器 使用具有双电层电容以及大量电化学赝电容的金属氧化物或导电聚合物做为电极。该电极表面或表面附近发生的氧化还原反应，插层反应或者电吸附作用会引起法拉第电子电荷转移，从而产生赝电容。

混合电容器，如锂离子电容器，同时使用具有不同特性的电极。其中一个主要表现为静电电容，另一个主要表现为电化学电容。

电解液在两个电极之间形成离子导电连接，这将它们与传统的一直具有介电层的电解电容器区分开来。且所谓的电解液(例如MnO2或者导电高分子)实际上是第二电极(阴极，或者更准确地说是正极)的一部分。超级电容器通过使用非对称电极的设计达到极化，或者在制造过程中对对称电极施加电位以达到极化。

电化学电容器利用双电层效应存储电能。然而，这种双电层没有传统的固体介质来分离电荷。这样提供了电化学电容器总电容的电极双电层，则有两个存储原理：[21]

双电层电容 在亥姆霍兹双电层中，通过电荷分离实现电能的静电存储。[22]

赝电容 通过电荷转移的法拉第氧化还原反应，实现电能的电化学存储。[14]

两种电容只能通过测量技术进行分离。在电化学电容器中，尽管每个存储原理的电容量可能变化很大，但是每单位电压存储的电荷量与电极尺寸相关。

实际上，这些存储原理可产生电容值约为1到100法拉的的电容器。

超级电容器(ultracapacitors)是一种介于普通电容器和电池之间的电化学储能器件。电动道路车辆用电容器分为能量型电容器和功率型电容器。其中，能量型超级电容器是以高比能量为特点，主要用于高能量输入、输出的电容器；功率型超级电容器是以高比功率为特点，主要用于瞬间高功率输人、输出的电容器。

新能源汽车超级电容器的型号规定如图所示，标准中规定，UC代表超级电容器，P代表功率型电容器，E代表能量型电容器，F代表方形单体电容器，Y代表圆柱形单体电容器。

这得从电容器的结构上说起。最简单的电容器是由两端的极板和中间的绝缘电介质（包括空气）构成的。通电后，极板带电，形成电压（电势差），但是由于中间的绝缘物质，所以整个电容器是不导电的。不过，这样的情况是在没有超过电容器的临界电压（击穿电压）的前提条件下的。我们知道，任何物质都是相对绝缘的，当物质两端的电压加大到一定程度后，物质是都可以导电的，我们称这个电压叫击穿电压。电容也不例外，电容被击穿后，就不是绝缘体了。不过在中学阶段，这样的电压在电路中是见不到的，所以都是在击穿电压以下工作的，可以被当做绝缘体看。 但是，在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。实际上，电流是通过场的形式在电容器间通过的。

级电容器(Supercapacitor)，又叫做电化学电容器(ElectrochemicalCapacitors)，是上个世纪七八十年代发展起来的一种介于传统电容器与电池之间的新型储能装置，它的电容量达到了法拉级，比相同体积的电解电容器容量大2000～6000倍，功率密度是电池的10～100倍，能够进行大电流充放电，充放电效率高，循环充放电的次数可以达到105次以上，不用维护且对环境没有污染。

超级电容的特点

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。

（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上； （2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”； （3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%； （4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍； （5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源； （6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护； （7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃； （8）检测方便，剩余电量可直接读出； （9）容量范围通常0.1F--1000F 。 法拉（farad），简称“法”，符号是F 1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V 1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A·S。 1库仑=1安培·秒 1法拉=1安培·秒/伏特

[编辑本段]类比

电瓶（蓄电池）12伏14安时的放电量=14*3600/12=4200 法拉(F) 地球的电容值仅有1-2F左右 超级电容与电池比较，有如下特性： a.超低串联等效电阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)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）。 b. 超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd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。 c. 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。 d. 免维护，可密封。 e.温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃。

补充

◆ 超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），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。（见图1） 一、超级电容器为何不同于传统电容器其"超级"在哪？ ◆ 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 Å）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。 二超级电容器有哪些优点和缺点？ 1、 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，因而不存在象电池接触不牢固等问题； 2、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； 三、超级电容器都有哪些应用？ ◆ 超级电容器的低阻抗对于当今许多高功率应用是必不可少的。对于快速充放电，超级电容器小的ESR意味着更大的功率输出。 ◆ 瞬时功率脉冲应用，重要存储、记忆系统的短时间功率支持。 四、应用举例 1、快速充电应用，几秒钟充电，几分钟放电。例如电动工具、电动玩具； 2、在UPS系统中，超级电容器提供瞬时功率输出，作为发动机或其它不间断系统的备用电源的补充； 3、应用于能量充足，功率匮乏的能源，如太阳能； 4、当公共汽车从一种动力源切换到另一动力源时的功率支持； 5、小电流，长时间持续放电，例如计算机存储器后备电源； 五、我可以多快给超级电容器放电？ ◆ 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。 六、我怎么样控制超级电容器的放电？ ◆ 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。（由于电极的特殊结构它们实际上得花上数个小时才能将残留的电荷完全放干净） 七、超级电容器比电池更好？ ◆ 超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。 ◆ 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，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。 ◆ 超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。 ◆ 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。 八、如何选择我所需的超级电容器？ ◆ 首先，功率要求、放电时间及系统电压变化起决定作用。 ◆ 超级电容器的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量；另一部分是由于超级电容器内阻引起。两部分谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲中，内阻部分占主要的，相反在长时间放电中，容性部分占主要。 ◆ 以下基本参数决定您选择电容器的大小 1、 最高工作电压； 2、 工作截止电压； 3、 平均放电电流4、 放电时间多长

超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。

超级电容器的结构

超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。

超级电容器的结构如图所示．是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。

（1）：聚四氟乙烯载体；（2）（4）：活性物质压在泡沫镍集电极上；（3）：聚丙烯电池隔膜。

超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。这是由超级电容器包装的几何结构决定的。对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终端，从而扩展电容器外的电流路径。

对于圆形或圆柱形封装的产品，电极切割成卷轴方式配置。最后将电极箔焊接到终端，使外部的电容电流路径扩展。

原理

超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力及原子间力的作用，使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷，称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板，电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同，可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。