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| 超級電容器 |
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中文名；超級電容器 外文名；supercapacitor 特點；功率密度高等 主要參數；壽命、電壓等 應用；家用電器電力儲能等 學科；電子工程 |
雙電層電容(Electrical Double-Layer Capacitor)是超級電容器的一種，是一種新型儲能裝置。
雙電層電容介於電池和電容之間，其極大的容量完全可以作為電池使用。
雙電層電容相比採用電化學原理的電池，其充放電過程完全沒有涉及到物質的變化，所以其具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。
雙電層電容其雙電層的間距極小，致使耐壓能力很弱，一般不會超過20V，所以其通常用作低電壓直流或者是低頻場合下的儲能原件。
雙電層電容用途廣泛。用作起重裝置的電力平衡電源，可提供超大電流的電力；用作車輛啟動電源，啟動效率和可靠性都比傳統的蓄電池高，可以全部或部分替代傳統的蓄電池；用作車輛的牽引能源可以生產電動汽車、替代傳統的內燃機、改造現有的無軌電車；用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等戰車的順利啟動（尤其是在寒冷的冬季）、作為激光武器的脈衝能源。此外還可用於其他機電設備的儲能能源。[1]
原理
雙電層電容是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷，從而使相間產生電位差。那麼，如果在電解液中同時插入兩個電極，並在其間施加一個小於電解質溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，並分別在兩個電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似，從而產生電容效應，緊密的雙電層近似於平板電容器，但是，由於緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。
雙電層電容與鋁電解電容器相比內阻較大，因此，可在無負載電阻情況下直接充電，如果出現過電壓充電的情況，雙電層電容將會開路而不致損壞器件，這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時，雙電層電容與可充電電池相比，可進行不限流充電，且充電次數可達10^6次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時也具有電池特性，是一種介於電池和電容之間的新型特殊元器件
基本原理為：當向電極充電時，處於理想極化電極狀態的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附於電極表面上形成雙電荷層，構成雙電層電容。由於兩電荷層的距離非常小（一般0.5nm以下），再加之採用特殊電極結構，使電極表面積成萬倍的增加，從而產生極大的電容量
工藝
超級電容器的工藝流程為：配料→混漿→制電極→裁片→組裝→注液→活化→檢測→包裝。
超級電容器在結構上與電解電容器非常相似，它們的主要區別在於電極材料。早期的超級電容器的電極採用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決於表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級電容器的容值可以非常大，大多數超級電容器可以做到法拉級，一般情況下容值範圍可達1-5000F。
超級電容器通常包含雙電極、電解質、集流體、隔離物四個部件。超級電容器是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的電容量的。在超級電容器中，採用活性炭材料製作成多孔電極，同時在相對的兩個多孔炭電極之間充填電解質溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而電解質溶液中的正負離子將由於電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成雙集電層。
分類
超級電容器的類型比較多，按不同方式可以分為多種產品，以下作簡單介紹。
按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器：
雙電層型超級電容器，包括
1.活性碳電極材料，採用了高比表面積的活性炭材料經過成型製備電極。
2.碳纖維電極材料，採用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經過增強，噴塗或熔融金屬增強其導電性製備電極。
3.碳氣凝膠電極材料，採用前驅材料製備凝膠，經過炭化活化得到電極材料。
4.碳納米管電極材料，碳納米管具有極好的中孔性能和導電性，採用高比表面積的碳納米管材料，可以製得非常優良的超級電容器電極。
以上電極材料可以製成：
1.平板型超級電容器，在扣式體系中多採用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司產品為典型代表的多層疊片串聯組合而成的高壓超級電容器，可以達到300V以上的工作電壓。
2.繞卷型溶劑電容器，採用電極材料塗覆在集流體上，經過繞製得到，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。
贗電容型超級電容器：包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負極材料製備的超級電容器，導電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經P型或N型或P/N型摻雜製取電極，以此製備超級電容器。這一類型超級電容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它類型多處於研究階段，還沒有實現產業化生產。
按電解質類型可以分為水性電解質和有機電解質類型：
水性電解質，包括以下幾類
1.酸性電解質，多採用36%的H2SO4水溶液作為電解質。
2.鹼性電解質，通常採用KOH、NaOH等強鹼作為電解質，水作為溶劑。
3.中性電解質，通常採用KCl、NaCl等鹽作為電解質，水作為溶劑，多用於氧化錳電極材料的電解液。
有機電解質
通常採用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質，有機溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑，電解質在溶劑中接近飽和溶解度。
另外還可以分為：
1.液體電解質超級電容器，多數超級電容器電解質均為液態。
2.固體電解質超級電容器，隨着鋰離子電池固態電解液的發展，應用於超級電容器的電解質也對凝膠電解質和PEO等固體電解質進行研究。
缺點
第一︰電化學電池（3-5·W·H /千克為一個標準的超級電容器每單位重量儲存的能量是一般較低，儘管85瓦時/公斤已在實驗室中實現 2010年相比， 30-40·W·H /公斤的鉛酸電池，100-250·W·H /公斤，鋰離子電池，約1/1萬分之一體積的汽油的能量密度；
第二︰具有最高的任何類型的電容器的介質吸收；
第三︰高自放電 - 率大大高於電化學電池高；
第四︰最大的低電壓 - 系列連接需要，以獲得更高的電壓，電壓平衡可能需要；
第五︰與實際的電池，在任何電容，包括雙電層電容，電壓顯著下降，因為它的排放。能源的有效存儲和恢復需要複雜的電子控制和開關設備，隨之而來的能量損失。一個多電壓5.3 W EDLC的醫療設備電源的詳細論述了詳細的設計原則。它使用在約150秒共55 F的電容，收費，運行約60秒。電路採用開關模式穩壓器，線性穩壓器的清潔和穩定的電力，減少約70%的效率。開關穩壓器，降壓，升壓，降壓 - 升壓類型的討論，並得出結論，大不相同跨EDLC的降壓 - 升壓電壓是最好的，增加第二個最好，降壓不宜；
第六；非常低的內部電阻允許極快速放電時短路，導致類似的任何其他類似的電壓和電容（一般比電化學電池）電容火花危險。
優點
第一︰壽命長，能維持數百萬個充電循環的壽命。由於電容的充放電循環次數很多（百萬次或更多，與大部分市售的充電電池200-1000次相比），電容可以在大多數設備的壽命內持續使用，這使得設備變得更環保。充電電池通常壽命只有幾年，而且他們的高活性化學電解質存在處理和安全上的隱患。雙電層電容也可以與電池結合起到電荷調節功能，存儲來自其他能量源的能量已達到均衡負載的目的，然後使用充電電池，只要電容器未充滿，任何多餘的能量都可以利用；
第二︰每個周期的平均成本低；
第三︰良好的可逆性；
第四︰充電和放電率非常高；
第五︰非常低的內部電阻（ESR）和隨之而來的高周期效率（95%以上）和極低的放熱；
第六︰高輸出功率；
第七︰比功率高。根據ITS（交通研究學院，戴維斯，加利福尼亞）的測試結果，雙電層電容的具體功率可超過6千瓦/千克，同時有着95%的效率；
第八︰使用無腐蝕性的電解質和低毒性的材料，提高了安全性；
第九︰簡單的充電方法，不必進行過充檢測，因為沒有過充的可能；
第十︰配合充電電池使用時，在某些應用中電容可以在很短的時間內提供能量，減少電池循環速率，延長電池壽命。
屬性
雙電層電容的性能正在改善，新的研究進展。
電容
雙電層電容的電容高達數千法拉2011年。
電壓
截至2011年，額定功率高達約5最大工作電壓雙電層電容至五。
參考來源