超级电容器2 mic.doc

超级电容器二、超级电容器发展概况简述1超级电容器研究的意义伴随人口的急剧增长和社会经济的快速发展，资源和能源日渐短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖洁净和可再生的新能源。有的学者则更进一步认为21世纪将是以电池为基础的社会。近年来在许多储能装置应用方面对功率密度的要求越来越高，已超过了当前电池的标难设计能力。超级电容器(SC)正是在这样的背景下产生的。“超级电容器”一词来自20世纪60年代末日本NEC公司生产的电容器产品“Supercapacitor”。它泛指具有很高功率和高能量密度的电容器1。所谓“超级电容器”本质上是根据电化学原理设计、制造出来的，因此它又被称为电化学电容器(Electrocamical Capacitors，EC)。新型的电化学电容器具有优良的脉冲充放电性能以及大容量储能性能，并且具有充电快、循环寿命长、环境适应性强、无记忆效应、免维护、对环境无污染等优点。“冷战”时期超级大国间的军备竞赛，特别是美国的“星球大战”、“导弹防御系统”计划大大加快了超级电容器在军事装备的应用。它可作为新一代激光武器、潜艇、导弹以及航天飞行器等高功率军事装备的激发器。军用坦克、卡车在恶劣条件下的启动、爬坡、刹车等动力响应过程的瞬间启动电源等等；近年来电动汽车的兴起，更进一步推动了超级电容器的发展，由于超级电容器具有较大的功率密度，在新一代电动车中，可以与锂离子电池联用，用于解决起步，加速及制动能量的回收，从而起到保护电池，提高整车性能的作用。在普通机车的运行过程中，超级电容器也可以配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电启动系统.作为一种新的储能元件，超级电容器填补了传统电容器（如平板电容器、电解电容器）和电池之间的空白，无论是从电荷储存原理、还是器件的性能，它都与常规的物理(介质)电容器有较大的区别。它能提供比普通电容器更高的比能量和比二次电池更高的比功率以及更长的循环寿命，同时还具有比二次电池耐温和免维护的优点。超级电容器具有法拉级的超大电容量；其脉冲功率比蓄电池高近十倍。充放电循环寿命在十万次以上；有超强的荷电保持能力，漏电源非常小。充电迅速，使用便捷；无污染，有利于环保。因此，它在计算机、通信、电力、交通、航空、航天、国防等领域具有广阔的应用前景。各工业国家都纷纷把电化学电容器列为国家重点战略研究开发项目。1996年欧共体制定了超级电容器的发展计划，美国能源部及国防部也制定了相应的发展超级电容器的研究计划。我国在“十五”国家863计划中要求研究满足电动车整车要求的超级电容器。超级电容器正成为研究热点2。2研究与发展概况超级电容器的研究源于美国GE公司1957年Becker取得的第一篇双层电容器专利3，它以碳材料为电极，硫酸水溶液作电解质，工作电压lV。进入90年代以来，由于电动汽车的兴起，对超级电容器的各类研究也逐渐增多，目前超级电容器的研究主要集中在以下几个方面：（1）电极材料的选择和优化a碳电极材料超级电容器电极材料按照种类可以分为碳电极材料，金属氧化物电极和导电聚合物电极 三大类，对于碳电极材料而言（包括活性炭、碳纤维、碳气溶胶和碳纳米管材料等），主要遵循双电层电容储能原理 ，即利用碳材料具有较大的表面积，通过碳材料吸附电解液中的离子在电极表面形成双电层来完成储能过程4；b过渡金属氧化物电极材料对过渡金属氧化物而言，主要是通过在电极表面发生高度可逆的氧化还原反应来实现电荷的储存，自1975年conway发表了过渡金属氧化物准电容储能理论5，目前已有许多关于过渡金属氧化物如RuO26、IrO27、MnO28、NiO9、Co3O410、V2O511、SnO212作为超级电容器电极材料的报道。按同等表面积计算，遵循法拉第准电容理论的过渡金属氧化物电极，其比容量可达到碳电极材料的10-100倍，其中氧化钌电极材料具有最好的电容特性，但氧化钌昂贵的价格极大的限制了其具体应用，对于用氧化钌制备的超级电容器，氧化钌电极材料的成本就占据了整个电容器价格的90%，所以目前人们进行了许多研究，尝试采用廉价金属氧化物取代氧化钌电极。C导电聚合物材料除了碳材料和过渡金属氧化物可作为超级电容器材料以外，高分子聚合物材料13目前也被用于超级电容器电极材料的制备，其储能也是遵循法拉第准电容原理。相比过渡金属氧化物电极工作电压较低的特点，采用高分子聚合物材料可以在高电压下工作，同时也具有较大的能量密度和功率密度，高分子聚合物电极材料代表了超级电容器电极材料研究的一个新的发展方向。但其可逆性相比碳电极和过渡金属氧化物电极较差，此外在长时间的循环过程中保证其稳定性（包括防止外形的膨胀或收缩）及内阻较大也是目前急需解决的问题，而这些因素常常会限制高分子聚合物电极的进一步应用，目前高分子聚合物电极材料仍处于基础研究阶段。一、超级电容器简介超级电容器又称超大容量电容器或者电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能器件。与传统电容器相比，超级电容器具有更大的容量以及更高的能量密度，其容量可达法拉级（F）甚至数千法拉，而传统的电容器只有微法（F）级，1F=106F；与电池相比，超级电容器具有更高的功率密度和更长的循环寿命，可实现大电流充放电，工作温度范围可达-25 +75，已成为世界各国的研究开发的热点。超级电容器在航空航天、军工领域、汽车行业、通信领域、仪器仪表、消费电子、电动玩具等领域都具有重要的应用市场。1超级电容器概况11超级电容器的原理超级电容器是利用电极和电解液之间形成的界面双电层电容来存储能量的一种新型储能器件。当电极插入电解液时，电极表面上的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的带异种电荷的离子，使它们在电极溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。这个界面由两个电荷层组成，一层在电极上，另一层在溶液中，因此称为双电层。根据电容器原理，电容量C=（其中，介电常数；S电极有效表面积；d电介质厚度），表面积S越大，电介质厚度d越小，电容器容量C就越大。对于超级电容器，d为溶剂化离子半径，一般水化后的离子半径为0.30.5nm，而一般电解电容器的介电质氧化膜厚度在数十纳米以上；另外，超级电容器的电极材料一般选用高比表面积的多孔炭材料，其比表面积可高达2000-3000m2/g，远大于电解电容器的电极面积。因此，双电层电容器可以取得法拉级甚至数千法拉的高电容量。12超级电容器的特性超级电容器作为一种新型储能器件，兼具电池和传统电容器的优点（见表1），具体叙述如下：（1）可储存巨大的能量，容量达几法拉级甚至数千法拉；其存储的能量E=1/2CU2（C：器件的电容量；U：器件的端电压）。（2）环境友好，无需采用污染性物质为原料；（3）免维护，长时间放置不失效，即使几年不用仍可保留原有的性能指标。（4）超级电容器充放电速度快（根据容量的不同为几秒几分钟），可以在瞬间释放出安培级至数千安培级的大电流，具有独特的大电流充放电特性，特别适合大功率脉冲电路的应用。（5）循环寿命长（10万次），充放电效率高（95%），充放电过程仅发生离子的吸附脱附，电极结构不会发生变化；（6）工作温度范围宽（-2575），可满足恶劣环境使用的要求。（7）相对成本低，尽管价格比铅酸电池高3倍，但寿命比铅酸电池高20倍。（8）体积比容量与重量比容量高，外形紧凑，易于安装，符合新型电子产品对电源的短小轻薄要求；（9）通过串并联可制成高耐压、大容量组件，满足不同领域的需要。表1超级电容器与普通电容器、充电电池的性能比较元器件能量密度/ Whkg-1功率密度/ Wkg-1循环寿命/次普通电容器106超级电容器0.2-20102-104105充电电池20-20050010313超级电容器应用领域根据放电量、放电时间、工作电压以及电容量大小，超级电容器可用作后备、替换和主电源三类，主要应用领域如下：（1）军事领域用于新一代激光武器、粒子束武器、微波武器、潜艇、导弹等大功率脉冲电源；航天飞行器、军用坦克和卡车等军事装备的启动电源上。（2）无线通讯领域GSM手机通讯脉冲电源，移动电脑、PDA、其它使用微处理器的便携式设备以及其它数据通讯设备的备用电源。（3）消费电子领域音响、视频和其它电子产品断电时须用记忆保持电路的产品；电子玩具；无线电话；电热水瓶；照相机闪光灯系统；助听器等。（4）工业领域智能水表、电表与气表，远程载波抄表，无线报警系统，电磁阀，电子门锁，脉冲电源，UPS，电焊机，充磁机，电动工具，税控机。（5）交通运输领域主要应用于汽车、火车、船舶和码头等领域。如交通工具的启动设备，瞬间提供大电流，以及与电池配合使用组成混合动力车和开发纯电容交通车，提供动力驱动电源。应用于汽车零部件领域，如音响、电动座椅、空调、转向和制动等。应用于码头的集装箱起重机等领域。（6）特殊要求的智能设备或电路设计领域。（7）其它应用领域，如太阳能光伏产品储能器件等。14超级电容器的性能指标（1）容量：电容器在一定的重量或者体积范围内存储的容量，量纲为F（法拉）。（2）内阻：又称为等效串联电阻，分为直流内阻和交流内阻，量纲为。（3）漏电流：恒定电压情况下，一定时间后测得的电流，量纲为mA。（4）比能量：是指单位重量或单位体积的电容器所给出的能量，也叫重量比能量或体积比能量，也称能量密度，量纲为Wh/kg或Wh/L。（5）比功率：单位重量或单位体积的超级电容器所给出的功率，表征超级电容器所承受电流的大小，超级电容器的比功率是电池的数量级倍数，量纲为W/kg或Wh/L。（6）循环寿命：超级电容器经历一次充电和放电，称为一次循环或叫一个周期。（7）高低温性能：在高温、低温环境下其电性能的变化情况。15超级电容器的组成与关键技术如图1所示，超