究竟什么是超級(jí)電容器?它與電容器有何不同?簡(jiǎn)單來說，電容器的功能是存儲(chǔ)電荷并快速傳輸，而電池的功能是存儲(chǔ)電荷并在較長時(shí)間內(nèi)傳輸。換句話說，當(dāng)你駕駛?cè)碌碾妱?dòng)汽車加速時(shí)，你需要一個(gè)電容器，而當(dāng)你在高速公路上巡航時(shí)，你需要一個(gè)電池。從歷史上看，電容電池之前，與第一電容器-或冷凝器-出現(xiàn)在德國中期的18個(gè)世紀(jì)，“萊頓瓶”。串聯(lián)起來，冷凝器形成了一個(gè)“電池”。超級(jí)電容器并不僅僅憑空出現(xiàn)來解決我們的電池需求：它們已經(jīng)研究、開發(fā)和使用了30多年。
超級(jí)電容器又名電化學(xué)電容器(ElectrochemicalCapacitors)，雙電層電容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黃金電容、法拉電容，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。傳統(tǒng)電容器由兩個(gè)導(dǎo)電電極組成，由電介質(zhì)(如塑料、紙、玻璃或陶瓷)隔開。它們以靜電方式儲(chǔ)存能量。超級(jí)電容器(也稱為超級(jí)電容器)出現(xiàn)在1970年代后期，顧名思義，在實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)的同時(shí)更有效。他們要么在電極和電解質(zhì)之間的界面上使用電荷分離(所謂的雙電層電容器)，要么使用氧化還原反應(yīng)、嵌入和電吸附(所謂的贗電容器)。非對(duì)稱或混合電容器在非對(duì)稱電極上結(jié)合了靜電和電化學(xué)電容的原理。電化學(xué)超級(jí)電容器在技術(shù)上最接近可充電電池。那么今天小編為大家介紹一下超級(jí)電容器的工作原理與主要應(yīng)用。
1.類型
超級(jí)電容器主要分為三類：
1.1雙層電容器
雙層電容器由兩個(gè)電極、隔膜和電解質(zhì)組成。電解質(zhì)是溶解在水中的正離子和負(fù)離子的混合物。兩個(gè)電極由隔板隔開。左側(cè)電極面同樣與左側(cè)電解液接觸;右側(cè)電極表面與右側(cè)液體電解質(zhì)接觸。液體電解質(zhì)和電極表面相遇的點(diǎn)將形成液體電解質(zhì)和不溶性固體電極表面的共同邊界。
在電極表面和電解質(zhì)溶液相遇的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相反的電荷。這些相反的電荷被表示為兩個(gè)電荷層或雙電荷層。超級(jí)電容器的每個(gè)電極產(chǎn)生兩個(gè)電荷層。在具有一種極性(正或負(fù))的電極表面上形成一個(gè)電荷層，而在電極表面附近的電解質(zhì)溶液中形成另一個(gè)具有相反極性(負(fù)或正)的電荷層。這兩個(gè)電荷層被溶劑或水分子的單層(一個(gè)分子厚的層)隔開。
溶劑分子緊密附著在電極表面，將帶相反電荷的離子隔開。分離相反電荷的溶劑分子充當(dāng)電介質(zhì)(介電分子)。溶劑分子不允許電荷通過它們。因此，在電極和電解質(zhì)之間沒有電荷流動(dòng)。
當(dāng)電壓以這樣的方式施加到電容器上時(shí)，電池的正極連接到左側(cè)電極，電池的負(fù)極連接到右側(cè)電極，雙電層電容器開始充電。由于該電源電壓，左側(cè)電極表面上會(huì)產(chǎn)生大量正電荷，而右側(cè)電極表面上會(huì)產(chǎn)生大量負(fù)電荷。這些電荷充當(dāng)?shù)谝粚与姾伞ｋ娊赓|(zhì)中的負(fù)離子受到來自帶正電的電極的強(qiáng)大吸引力。結(jié)果，負(fù)離子向帶正電的電極移動(dòng)。以類似的方式，電解質(zhì)中的正離子受到來自帶負(fù)電的電極的強(qiáng)大吸引力。結(jié)果，正離子向帶負(fù)電的電極移動(dòng)。
當(dāng)這些負(fù)離子或正離子靠近電極時(shí)，它們會(huì)受到溶劑分子的強(qiáng)烈反對(duì)。因此，沒有電荷從電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到電極或電極到電解質(zhì)。然而，這些相反的電荷會(huì)相互施加靜電力。因此，在電極和電解質(zhì)的共同邊界處會(huì)產(chǎn)生大量電荷。 雙層電容器或超級(jí)電容器最常用的電極材料是活性炭、碳?xì)饽z、碳纖維布和碳納米管。
1.2偽電容器
偽電容器通過電極和電解質(zhì)之間的電子電荷轉(zhuǎn)移(電子從電解質(zhì)到陰極或從陰極到電解質(zhì))存儲(chǔ)電能。這可以通過氧化還原(還原氧化反應(yīng))來完成。
還原：當(dāng)原子獲得一個(gè)電子并變得更負(fù)時(shí)會(huì)發(fā)生還原。
氧化：當(dāng)原子失去電子并變得更正時(shí)會(huì)發(fā)生氧化。
還原氧化：當(dāng)一個(gè)原子獲得(或失去)一個(gè)電子而另一個(gè)原子失去(或獲得)一個(gè)電子時(shí)，就會(huì)發(fā)生還原氧化。在贗電容器中，氧化還原反應(yīng)發(fā)生在電極和電解質(zhì)溶液之間。
在贗電容器中，電荷存儲(chǔ)(電容)來自電解質(zhì)和電極之間的電荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)向偽電容器施加電壓時(shí)，電解質(zhì)中帶電的原子或離子向帶相反電荷的電極移動(dòng)。在電極表面與相鄰電解質(zhì)之間形成兩個(gè)電層或雙電層。這兩個(gè)電層被電解質(zhì)分子隔開。雙電層內(nèi)電解質(zhì)中的帶電原子充當(dāng)電子供體并將電子轉(zhuǎn)移到電極原子。結(jié)果，電極中的原子帶電。因此，電荷存儲(chǔ)在雙電層。偽電容器使用導(dǎo)電聚合物或金屬氧化物作為電極。存儲(chǔ)在偽電容器中的電荷量與施加的電壓成正比。偽電容以法拉為單位測(cè)量。
1.3混合電容器
混合電容器是利用雙層電容器和偽電容器的技術(shù)開發(fā)的。在混合電容器中，實(shí)現(xiàn)了雙層電容和偽電容。
2.優(yōu)勢(shì)
與普通電容器相比，它提供高能量密度和高功率密度。
它提供高電容(從1mF到>10,000F)。
它提供快速充電能力。
它提供卓越的低溫性能(從-40oC到70oC)。
它提供更長的服務(wù)和更長的使用壽命(大約10至15年，而鋰離子電池為5-10年)。它提供幾乎無限的循環(huán)壽命，可以循環(huán)數(shù)百萬次。
它提供了更高的性能可靠性。
它減少了電池的尺寸、重量和連續(xù)成本。
超級(jí)電容器符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。因此它們是環(huán)保的。
與傳統(tǒng)電容器(高電容)相比，可存儲(chǔ)大量電荷。
即使過度充電，超級(jí)電容器也不會(huì)像電池一樣爆炸。
3.工作原理
超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器，原理示意圖如圖2。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。
原理示意圖
當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)(通常為3V以下)，如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。
由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。
4.主要應(yīng)用
4.1一般應(yīng)用
消費(fèi)電子產(chǎn)品：在負(fù)載波動(dòng)的應(yīng)用中，例如膝上型計(jì)算機(jī)、PDA、GPS、便攜式媒體播放器、手持設(shè)備、和光伏系統(tǒng)，超級(jí)電容器可以穩(wěn)定電源。超級(jí)電容器用于輸送功率照相閃光燈在數(shù)碼相機(jī)和用于LED手電筒，可以在時(shí)間短得多段充電。
工具：帶有用于儲(chǔ)能的超級(jí)電容器的無繩電動(dòng)螺絲刀的運(yùn)行時(shí)間約為同類電池型號(hào)的一半，但可以在90秒內(nèi)充滿電。閑置三個(gè)月后，它還可以保留85%的電量。
電網(wǎng)電源緩沖器：許多非線性負(fù)載，例如EV充電器、HEV、空調(diào)系統(tǒng)和高級(jí)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，都會(huì)導(dǎo)致電流波動(dòng)和諧波。這些電流差異會(huì)造成不必要的電壓波動(dòng)，從而導(dǎo)致電網(wǎng)上的功率振蕩。功率振蕩不僅會(huì)降低電網(wǎng)的效率，還會(huì)導(dǎo)致公共耦合總線中的電壓下降，以及整個(gè)系統(tǒng)的相當(dāng)大的頻率波動(dòng)。為了克服這個(gè)問題，超級(jí)電容器可以作為負(fù)載和電網(wǎng)之間的接口來實(shí)現(xiàn)，以充當(dāng)電網(wǎng)和從充電站汲取的高脈沖功率之間的緩沖器。
低功耗設(shè)備電源緩沖器：超級(jí)電容器為RAM、SRAM、微控制器和PC卡等低功耗設(shè)備提供備用或緊急關(guān)閉電源。它們是低能耗應(yīng)用的唯一電源，例如自動(dòng)抄表(AMR)設(shè)備或工業(yè)電子設(shè)備中的事件通知。超級(jí)電容器緩沖往返可充電電池的電源，減輕短時(shí)間斷電和高電流峰值的影響。電池僅在長時(shí)間中斷期間啟動(dòng)，例如，如果主電源或燃料電池出現(xiàn)故障，這會(huì)延長電池壽命。不間斷電源(UPS)可以由超級(jí)電容器供電，它可以取代更大的電解電容器組。這種組合降低了每個(gè)周期的成本，節(jié)省了更換和維護(hù)成本，使電池能夠縮小尺寸并延長電池壽命。
穩(wěn)壓器：超級(jí)電容器可以通過充當(dāng)阻尼器來穩(wěn)定電力線的電壓波動(dòng)。風(fēng)力和光伏系統(tǒng)表現(xiàn)出由超級(jí)電容器可以在幾毫秒內(nèi)緩沖的陣風(fēng)或云引起的波動(dòng)供應(yīng)。
微電網(wǎng)：超級(jí)電容器可用于微電網(wǎng)存儲(chǔ)，以在需求高且產(chǎn)量暫時(shí)下降時(shí)瞬間注入電力，并在反向條件下存儲(chǔ)能量。它們?cè)谶@種情況下很有用，因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)越來越多地產(chǎn)生直流電，并且電容器可用于直流和交流應(yīng)用。超級(jí)電容器與化學(xué)電池配合使用效果最佳。
能量收集：超級(jí)電容器是適用于能量收集系統(tǒng)的臨時(shí)儲(chǔ)能裝置。在能量收集系統(tǒng)中，能量從環(huán)境或可再生能源(例如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、光或電磁場(chǎng))收集，并在能量存儲(chǔ)設(shè)備中轉(zhuǎn)換為電能。例如，已經(jīng)證明從RF(射頻)場(chǎng)(使用RF天線作為適當(dāng)?shù)恼髌麟娐?收集的能量可以存儲(chǔ)到印刷超級(jí)電容器中。然后使用收集到的能量為專用集成電路(ASIC)電路供電10多個(gè)小時(shí)。
醫(yī)療：超級(jí)電容器用于除顫器中，它們可以提供500焦耳的能量將心臟電擊回竇性心律。
4.2運(yùn)輸
航空：2005年，航空航天系統(tǒng)和控制公司迪爾LuftfahrtElektronik公司有限公司選擇了超級(jí)電容器電源應(yīng)急驅(qū)動(dòng)器的門和逃生滑梯中使用飛機(jī)，包括空客380。
軍事：超級(jí)電容器的低內(nèi)阻支持需要短期高電流的應(yīng)用。最早的用途是用于坦克和潛艇中的大型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)(冷發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，尤其是柴油機(jī))。超級(jí)電容器緩沖電池，處理短電流峰值，減少循環(huán)并延長電池壽命。需要高比功率的其他軍事應(yīng)用包括相控陣?yán)走_(dá)天線、激光電源、軍用無線電通信、航空電子顯示器和儀器、安全氣囊部署的備用電源以及GPS制導(dǎo)導(dǎo)彈和射彈。
汽車：豐田的YarisHybrid-R概念車使用超級(jí)電容器提供爆發(fā)式動(dòng)力。PSAPeugeotCitroën已開始使用超級(jí)電容器作為其啟停節(jié)油系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更快的初始加速。馬自達(dá)的i-ELOOP系統(tǒng)在減速期間將能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中，并在發(fā)動(dòng)機(jī)被停止啟動(dòng)系統(tǒng)停止時(shí)使用它為車載電氣系統(tǒng)供電。
巴士/電車：美國超級(jí)電容器制造商MaxwellTechnologies聲稱，超過20,000輛混合動(dòng)力公交車使用這些設(shè)備來提高加速度，尤其是在中國。廣州，2014年，中國開始使用由超級(jí)電容器供電的有軌電車，通過位于軌道之間的設(shè)備在30秒內(nèi)充電，儲(chǔ)存電力以運(yùn)行電車長達(dá)4公里——足以到達(dá)下一站，在那里自行車可以被重復(fù)。CAF還在其Urbos3有軌電車上以ACR系統(tǒng)的形式提供超級(jí)電容器。
鐵路：超級(jí)電容器可用于補(bǔ)充配備柴電傳動(dòng)的柴油鐵路機(jī)車的啟動(dòng)系統(tǒng)中的電池。電容器捕獲完全停止的制動(dòng)能量，并提供用于啟動(dòng)柴油機(jī)和列車加速的峰值電流，并確保線電壓的穩(wěn)定。根據(jù)駕駛模式的不同，通過回收制動(dòng)能量可以節(jié)省高達(dá)30%的能源。低維護(hù)和環(huán)保材料鼓勵(lì)選擇超級(jí)電容器。
輕軌和有軌電車：超級(jí)電容器不僅可以減少能源，還可以取代歷史城區(qū)的架空線路，從而保護(hù)城市的建筑遺產(chǎn)。這種方法可能允許許多新的輕軌城市線路取代成本太高而無法完全布線的架空線。
4.3其它應(yīng)用
手電筒應(yīng)用
太陽能應(yīng)用
超級(jí)電容器用于筆記本電腦、便攜式媒體播放器、手持設(shè)備和光伏系統(tǒng)等電子設(shè)備中以穩(wěn)定電源
超級(jí)電容器用作能量收集系統(tǒng)的臨時(shí)儲(chǔ)能裝置
超級(jí)電容器用于除顫器(一種通過向胸壁提供電流來控制不規(guī)則心跳的儀器)
超級(jí)電容器
5.關(guān)于超級(jí)電容器的常見問題
5.1超級(jí)電容器能代替電池嗎?
超級(jí)電容器因其儲(chǔ)存和釋放能量的能力而優(yōu)于傳統(tǒng)電容器;然而，它們還無法取代傳統(tǒng)鋰離子電池的功能。
5.2超級(jí)電容器的生命周期有多久?
典型的電池有500-1000次充放電循環(huán)，而超級(jí)電容器可以達(dá)到一百萬次循環(huán)。在車輛服務(wù)中，電池的預(yù)期壽命為5至10年，而超級(jí)電容器的使用壽命為10至15年。
5.3超級(jí)電容器比電池更安全嗎?
超級(jí)電容器比電池更安全。然而，使用高于其額定值的電壓為超級(jí)電容器充電可能對(duì)超級(jí)電容器有害。但是，當(dāng)為多個(gè)電容器充電時(shí)，它會(huì)變成一項(xiàng)復(fù)雜的工作。
5.4超級(jí)電容器是由什么構(gòu)成的?
超級(jí)電容器由兩個(gè)金屬箔(集電器)構(gòu)成，每個(gè)金屬箔都涂有電極材料，例如活性炭，用作電極材料和電容器外部端子之間的電源連接。具體到電極材料是一個(gè)非常大的表面積。
5.5給超級(jí)電容器充電的最快方法是什么?
一種自動(dòng)托盤穿梭是使用超級(jí)電容器作為其主要的電功率源的理想應(yīng)用。超級(jí)電容器在轉(zhuǎn)運(yùn)車上時(shí)可在幾秒鐘內(nèi)快速充電。
結(jié)語
以上就是超級(jí)電容器工作原理與應(yīng)用的介紹了。截至2013年，市售的鋰離子超級(jí)電容器提供了迄今為止最高的重量比能量，達(dá)到15Wh/kg(54kJ/kg)。研究重點(diǎn)是提高比能、降低內(nèi)阻、擴(kuò)大溫度范圍、增加壽命和降低成本。項(xiàng)目包括定制孔徑電極、贗電容涂層或摻雜材料和改進(jìn)的電解質(zhì)。
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