2015年3月毕业论文超级电容器的应用研究

超级电容器的应用研究

1 超级电容器的基本原理

1.1 超级电容器的基本分类

超级电容器的类型比较多，按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：

（1）双电层型超级电容器 根据材料不同可包括：

①活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。 ②碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。

③碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。 ④碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。

以上电极材料可以制成：

①平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。

②绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制而成，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。

（2）赝电容型超级电容器

根据材料不同包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。

按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型 （1）水性电解质 主要包括以下几类：

①酸性电解质，多采用36％的H2SO4水溶液作为电解质。

②碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。 ③中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于

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氧化锰电极材料的电解液。

（2）有机电解质

通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。

另外还可以分为：

①液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态。

②固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究。

1.2 超级电容器的性能指标

超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器、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，在储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可以反复充放电十万次。超级电容器可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，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。

目前，对超级电容器性能描述的指标有：

（1）额定容量。指按规定的恒定电流(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2~3min，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，单位为法拉，F。

（2）额定电压。即可以使用的最高安全端电压。此外还有浪涌电压，通常为额定电压的105%；击穿电压，其值远高于额定电压，约为额定电压的1.5~3倍，单位为伏特(V)。

（3）额定电流。指5s内放电到额定电压一半的电流，单位为安培(A)。 （4）最大存储能量。指额定电压下放电到零所释放的能量，单位为焦耳(J)或瓦时(Wh)。

（5）能量密度，也称比能量。指单位质量或单位体积的电容器所给出的能量，单位为Wh/kg或Wh/L。

（6）功率密度，也称比功率。指单位质量或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能承受电流的能力，

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单位为kW/kg或kW/L。

（7）等效串联电阻(ESR)。其值与超级电容器电解液和电极材料、制备工艺等因素有关。通常交流ESR比直流ESR小，且随温度上升而减小。单位为欧姆。

（8）漏电流。指超级电容器保持静态储能状态时，内部等效并联阻抗导致的静态损耗，通常为加额定电压72h后测得的电流，单位安培(A)。

（9）使用寿命。是指超级电容器的电容量低于额定容量的20%或ESR增大到额定值的1.5倍时的时间长度。因为此时可判断为其寿命终了。

（10）循环寿命。超级电容器经历1次充电和放电，称为1次循环或叫1个周期。超级电容器的循环寿命很长，可达10万次以上。

1.3 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响应减少。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。在内部结构上有两个极板即正极和负极，当外部电压加到正负极板上时，负极板存储负电荷而正极板存储正电荷，两个极板间有电势差而形成一个电场，由于电场的作用，电极间和电解液的界面上形成相反的电荷，这种负电荷和正电荷在不同极之间的接触面上，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。当正负极板间电势低于电解液的氧化还原电位时，电解液内的电荷就不会脱开电解液，此时，超级电容器处于正常工作状态，如果超级电容器内部电容端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液中的电荷将脱离，超级电容器处于非正常状态，随着超级电容器充放电，正、负极板上的电荷越来越少，相应的电解液的界面上的电荷相应减少，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。

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如下图2.1所示为双电层超级电容器的结构，由图分析易知当外部施加电压时两个电极就有电势差，为了平衡电场作用，电极与电解液的接触面会产生稳定而极性相反的电荷层，即形成了电容器的两个正负电极。活性炭多孔化电极和电解液接触后会使实际有效电极表面积增大，通常可达到200m2/g，因此超级电容器从结构机制理论分析上可以储存大量的静电能量。

图2.1 超级电容器原理图

1.4 超级电容器的优点

超级电容器的工作原理是物理过程，与传统电化学蓄电池的原理不一样，它结合了静电电容和电池的优点，总结起来有以下几方面的优点：

(1)功率密度高。超级电容器的功率密度可到达几十kw/g，是传统蓄电池功率密度的几十倍，这个特点非常适用于要求短时输出高功率的场合。

(2)充放速度快。超级电容器的充放电是可逆、快速的物理过程，若采用大电流充放电，可以在几十秒至几分钟内完成。目前一种新型的超级电容器只需200微秒即可完成充电。

(3)循环使用寿命长。由于超级电容器在机理上充放电只是物理过程且具有可逆性，不像传统蓄电池存储能量是通过化学反应完成的，理论上超级电容器的充放电次数是无限的，实际应用中一般能达到10万次以上。

(4)充放电效率高。一般超级电容器的内阻都非常小，一般只有几毫欧，充放电时内阻的能量损耗比较小，大电流能量循环效率>90% 。

(5)适用温度范围广。超级电容器绝大部分电荷转移都是在电极活性炭物质的表面上进行的，因此温度对其正常工作影响较小，一般超级电容器的工作温度为-40-80℃。

(6)无污染、可靠性高。超级电容器生产所需的材料都是对环境无污染的，在超级电容器工作的物理过程对环境也无影响；而且超级电容器需要的维护较少，因此其可靠性高。

(7)充放电电流大。超级电容器的电容值都比较大，目前超级电容器容值可达

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