电化学超级电容原理及应用

1、LOGO电化学超级电容原理及应用电化学超级电容原理及应用超级电容的基本原理超级电容的基本原理v 超级电容（supercapacitor），又叫双电层电容(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。其储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。 v 超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。 目录目录v1、超级电容的原理和特点v2、超级电容的性能指标v3、超级

2、电容与普通物理电容比较v4、超级电容与可充电池比较v5、超级电容的应用超级电容器的分类超级电容器的分类v 根据使用电极材料的不同可分为两大类：v （1）以炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，本质是静电型能量储存方式，通常被称作双电层电容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有关，因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料，从而增加电容量。例如，活性碳的表面积可达1000m2/g，电容量可达100F/g，且碳材料还具有成本低，技术成熟等优点，该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。 v （2）以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器

3、。与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要大 10100倍 ，因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军事领域。 超级电容器的优缺点超级电容器的优缺点v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；与电池相比过充、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，因而不存在像电池接触不牢固等问题v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超级电容与传统电容的比较超级电容与传统电容的比较v 电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储

4、存电荷的面积电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容越大。越大，电荷被隔离的距离越小，电容越大。 电容值为：电容值为： C = A / 3.6 d 其中其中A为极板面积，为极板面积，d为介质厚度，为介质厚度，为相对介电常数为相对介电常数v 传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷

5、板隔开。这类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿。类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿。v 超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超平方米。而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其值小于值小于10埃。埃。超级电容能量密度较传统电容高，但功率密度较超级电容能量密度较传统电容高，但功率密度较之低。之低。超级电容与电池的比较超级电容与电池的比较v 超低串联等效电阻，功率密度是锂

6、离子电池的数十倍以上，适合大电超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流电容能释放瞬间电流18A以上）以上）v 超长寿命，充放电大于超长寿命，充放电大于50万次，是万次，是Li-Ion电池的电池的500倍，是倍，是Ni-MH和和Ni-Cd电池的电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可次，连续使用可达达68年年v 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，免维护，可密封，免维护，可密封v 温度范围宽

7、温度范围宽-40+70，一般电池是，一般电池是-2060超级电容应用领域超级电容应用领域v a.无线通讯无线通讯-GSM手机通讯时脉冲电源；双向寻呼；手机通讯时脉冲电源；双向寻呼； 其它数据通讯设备其它数据通讯设备v b.移动电脑移动电脑-手提数据终端；手提数据终端；PDA；其它使用微处；其它使用微处 理器的手提设备理器的手提设备v c.工业工业/汽车汽车-智能水表、电表；远程载波抄表；智能水表、电表；远程载波抄表； 无线报警系统；电磁阀；电子门锁；脉冲电源；无线报警系统；电磁阀；电子门锁；脉冲电源； UPS；电动工具；汽车辅助系统；汽车启动设备；电动工具；汽车辅助系统；汽车启动设备v d.消

8、费电子消费电子-音响、视频和其它电子产品断电时音响、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；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；助听器电热水瓶；照相机闪光灯系统；助听器超级电容在无线通讯中的应用超级电容在无线通讯中的应用v在无线通讯中，在无线通讯中，GSM/GPRS无线调制解调无线调制解调器传输数据过程中，需要输出电压器传输数据过程中，需要输出电压3V左右左右，输出，输出200-300mA的电流脉冲，脉冲时间的电流脉冲，脉冲时间为秒级，期间还另需要一次达为秒级，期间还另需要一次达2A的电流脉的电流脉冲，脉冲时间为毫秒级。冲，脉

9、冲时间为毫秒级。 v常态脉冲电流供电可由常规型号单体电池常态脉冲电流供电可由常规型号单体电池实现，而达到实现，而达到2A以上的大电流脉冲则只能以上的大电流脉冲则只能依靠超级电容来实现依靠超级电容来实现。超级电容在智能水表中的应用超级电容在智能水表中的应用v 传统的智能水表，在控制水阀开启和关断时，普遍采用的传统的智能水表，在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。但当电池电量不足时，不能有效监测，将自放电率低等。但当电池电量不足时，不能有效监测，将无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象

10、等情况出无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接影响到它的推广和使用。影响到它的推广和使用。v 新方案用超级电容替换锂电池，封装在水表中，同时外接新方案用超级电容替换锂电池，封装在水表中，同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容充电；而当电池电压过低，或突然断电时（如取下电电容充电；而当电池电压过低，或突然断电时（如取下电池），由超级电容继续为电路提供电源，同时，超级电容池），由超级电容继续为电路提供电源，同时，超

11、级电容存储的能量足以关断阀门。存储的能量足以关断阀门。v 新方案优点：新方案优点：1、将电池与水表分离，可随时更换，延长水、将电池与水表分离，可随时更换，延长水表寿命。表寿命。2、超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性。、超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性。超级电容在电动汽车中的应用超级电容在电动汽车中的应用v电动汽车的辅助动力电动汽车的辅助动力v改善汽车的启动性能改善汽车的启动性能图示为燃料电池汽车的起动过程，由于超图示为燃料电池汽车的起动过程，由于超级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率，级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率，从而使汽车起步过程大大加快。从而使汽车起步过程大大

12、加快。 图示为超级电容应用于电动车的典型结构图示为超级电容应用于电动车的典型结构 UCMS（超级电容管理系统）主要作用是管理每个单体电流的大小，防止电压（超级电容管理系统）主要作用是管理每个单体电流的大小，防止电压超过电解质的分解电压而造成损坏，限制单体不均匀性的影响。从而使超级电超过电解质的分解电压而造成损坏，限制单体不均匀性的影响。从而使超级电容组稳定可靠的工作，提高超级电容组整体的效率和寿命。容组稳定可靠的工作，提高超级电容组整体的效率和寿命。 DC/DC一般为电流型升压变换器，主要作用是控制电容器的能量输入输出，协一般为电流型升压变换器，主要作用是控制电容器的能量输入输出，协调超级电容

13、电压和电池电压调超级电容电压和电池电压 。超级电容在汽车启动系统中的应用超级电容在汽车启动系统中的应用v 汽车用蓄电池是启动专用蓄电池汽车用蓄电池是启动专用蓄电池,可高倍率放电可高倍率放电,但以超过但以超过10C的高倍率放电仍的高倍率放电仍会使其性能变得很差会使其性能变得很差,且对蓄电池的损伤也很明显。（如用且对蓄电池的损伤也很明显。（如用12V/45Ah的蓄电的蓄电池启动池启动1.9升柴油机的汽车升柴油机的汽车,其电压在启动瞬间由其电压在启动瞬间由12.6V直降直降3.6V;启动瞬时电启动瞬时电流达流达550A,约为约为12C的放电率的放电率 ）v 将超级电容（将超级电容（450F/16.2

14、V）与蓄电池（）与蓄电池（ 12V/45Ah ）并联使用可显著改善启）并联使用可显著改善启动性能。启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的动性能。启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到提升到7.2V;启动电流从启动电流从560A提高到提高到1200A;启动瞬时的电源输出功率从启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到提高到8.7kW;启动过程启动过程的平稳电压由的平稳电压由7V提高到提高到9.4V;启动过程的平稳电流由启动过程的平稳电流由280A提高到提高到440A;启动启动过程的电源平稳输出功率从过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到提高到4.12kW。v 特别是在低温或冬季寒冷的恶劣环境下，由于蓄电池的性能大大下降特别是在低温或冬季寒冷的恶劣环境下，由于蓄电池的性能大大下降,很可能很可能不能正常启动或需多次启动才能成功不能正常启动或需多次启动才能成功,而超级电容器由于去高功率特性与蓄电而超级电容器由于去高功率特性与蓄电池并联时则仅需一次点火，其优点是非常明显的。池并联时则仅需一次点火，其优点是非常明显的。超级电容超级电容+锂离子电池复合电动车锂离子电池复合电动车v“电池电容混合电动汽车应用示范系统研究”项目，上海市