超级电容器基础知识.ppt

1、超级电容器基础知识,（内部资料，仅供学习）,2010-9-28,什么是超级电容器,超级电容器的分类及原理,超级电容器的特性,超级电容器的应用,超级电容器的构成,目录,影响内阻的主要因素,降低内阻的方法,容量和电量,影响产品一致性的因素,常见问题的简单论述,超级电容器的选用,影响超级电容均压的因素,什么是超级电容器,电容器(capacitor)，顾名思义，是“装电的容器”，是一种容纳电荷的器件。 超级电容器一词来自于20世纪60年代日本NEC公司生产的电容器产品“supercapacitor”。（ultercapacitor） 常用的超级电容器大多为双电层电容器(Electrical Doule

2、-Layer Capacitor)，它是通过极化电解质来储能，其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。,超级电容器特点,超级电容器特点,超级电容器分类（原理）,双电层电容是在电 极/溶液界面通过电 子或离子的定向排 列造成电荷的对峙 所产生的。对一个 电极/溶液体系，会 在电子导电的电极和 离子导电的电解质溶 液界面上形成双电层。,在电极表面或体相中 的二维或准二维空间 上，电活性物质 (如RuO2等)进行欠 电位沉积，发生高度 的化学吸附脱附或氧 化还原反应，产生与 电极充电电位有关的 电容。,混合体系的储能机理 是双电层电容和法拉 第

3、赝电容的储能机理 相结合，该体系具有 更大的能量密度，更 重要的是大大提高了 电容器的工作电压， 因此产生了更大的能 量密度。,不发生化学反应,正负极材料不同， 或储能原理不同,超级电容器分类（结构）,在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有另外也有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。,采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制 得到，这类电容器通常具有更大的电容量 和更高的功率密度。,双电层超级电容原理,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，由于静电力作用，电荷或

4、电解质离子在极短距离内产生由离散状态到梯度分布的排列，在固体电极与电解液界面之间形成电荷数量相等符号相反的紧密双电层（Helmholtz Layer）。伴随双电层形成，在电解界面形成的电容便被称为双电层电容。,双电层超级电容原理,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，

5、与利用化学反应的蓄电池是不同的。,双电层电容器的工作原理,0V,2.7V,0V,2.7V,充电过程,放电过程,双电层,双电层,正离子,负离子,负极,正极,电源,负载,隔膜,法拉第赝电容,基于赝电容（psuedocapacitance）的电容器，是作为双电层型电化学电容器的一种补充形式，这种赝电容产生于一些电吸附过程和电极表面氧化物薄膜如（MnO2, RuO2, IrO2）的氧化还原反应中，称作“赝电容”。 赝电容，也称法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。赝电容不仅在电极表面，而

6、且可在整个电极内部产生，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。,混合（非对称）超级电容器,将双电层电容原理与电池原理结合而成的混合超级电容器是目前世 界范围的一个最新研究方向，其中一个电极为双电层电容器电极材料 （即活性炭），另一个电极为二次电池电极材料，正负极的电化学机理 不同，因此具有超级电容器和电池的双重特性。它的能量密度已接近 某些电池，是双电层电容器的45倍，功率密度远大于电池。,在非对称超级电容器中，一个电极主要利用双电层机理而另一个电 极则主要利用电化学反应来贮存或转化能量，所以又称混合超级电 容器。,锂离子超级电容器,Li4Ti5O12/AC 不对称电容器体系的概念首度

7、由美国的Telcordia公司提出。这一混合体系采用以活性炭（AC）为正极，锂离子嵌入化合物Li4Ti5O12为负极，电解液为商用的锂离子二次电池电解液（锂盐），能量密度可达每公斤数十瓦（接近铅酸蓄电池的能量密度水平）。其工作原理如图所示，充电过程中，正极吸附电解液阴离子，负极则发生锂离子材料的嵌入反应，放电时则相反。,锂离子超级电容器,超级电容器的性能参数额定容量,额定容量 电容器在放电过程中可以放出的全部容量，具体计算方法是将放电过程中每一瞬加的电压与电流的乘积对放电时间进行积分。,容量主要取决于 （1）电极材料的特征、性能及材料的种类、型号和活性物质的量。 （2）正负极活性物质的正确比例

8、。 （3）电解液的浓度和种类。（4）生产制程过程。,工作电压（依赖于溶剂和电解质） 工作电压Vop是电容器在额定温度范围内所允许连续工作的电压。可以连续工作在0V与额定电压之间任何电压值。,额定涌浪电压 对于额定电压为2.3V、2.5V、2.7V超级电容器的额定涌浪电压分别为2.7V、2.8V、2.85V，约为额定电压的1.1倍。,分解电压 分解电压是超级电容器的电解液所能承受的极限电压，一般的电容器一旦超过电解液的氧化还原电极电位(介电强度)，电解液将被分解为其他物质。 目前的水系超级电容器的分解电压不低于1V，有机系列的不低于3.6V， 与额定电压的比值大约在1.31.5倍。,超级电容器的

9、性能参数电压,测试条件：规定的恒定电流（如1 000F以上的超级电容器规定的充电电 流为100A，200F以下的为3A）和规定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量 的KHz）下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温度上升而减小。,AC-ESR,DC-ESR 在实际情况中，由于电容器存在一定的内阻，充放电转换的瞬间会有一个 电位的突变我们可以利用这一突变计算电极或者电容器的等效串联电阻。,超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。,超级电容器的性能参数ESR,额定电流

10、5s从额定电压放电到额定电压一半的电流。 一般,峰值电流 1s或2s从额定电压放电到额定电压一半的电流,超级电容器的性能参数电流,最大存储能量（Wh）,能量密度（Wh/kg）,超级电容器的性能参数能量密度,功率密度,最大功率密度,对于一个给定的受控放电电流I而言，p.d会在放电时逐渐降低。通常涉及的是放电开始时的初始功率密度，即在V具有最高值时的p.d。从而在某一特定的电流下，正规功率额定值就取决于超级电容器的放电状态。不可能规定一个绝对的、理论的p.d因为功率消耗取决于放电速率。但是由于p.d一般都会随电流增加而出现一个最大值，故这个pmax.d可以提供一个有用的，在理论上更为重要的功率密度

11、的量度。,超级电容器的性能参数功率密度,寿命,循环寿命,超级电容器的循环寿命可以很长，理论上循环寿命是无限，实际中，虽然受到隔膜影响、电解液稳定性等因素限制，循环寿命也可高达数十万次。在25环境温度下的寿命通常在90000小时，在60的环境温度下为4000小时。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。,20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。,超级电容器的性能参数寿命,电解液分子运动速度随温度上升而增加，致使电解液的挥发速度随温度

12、 上升，而且电解液的挥发或分解速度还随施加电压的上升而增加。这也是 超级电容器在不工作时或存储时不施加电压为好的原因。 从图中可以看出，在相同温度条件下工作电压上升0.1V，寿命减半， 在相同的工作电压条件下，温度上升10 ，寿命减半。,超级电容器的性能参数寿命,自放电,自放电又称荷电保持能力，它是指在开路状态下，超级电容器储存的 电量在一定环境条件下的保持能力。超级电容器充满电开路搁置一段 时间后，一定程度的自放电属于正常现象。,自放电是衡量超级电容器性能的主要参数之一。自放电行为与该体系的化学性质、电化学性质、试剂和电解质的纯度以及温度有关，同时受制造工艺、储存条件的影响。一般而言，储存温

13、度越低，自放电率也越低。 粗略地，温度每增加10k,自放电速率翻倍。 自放电是一个常见而基本的现象，对超级电容器非常重要，大约50%的电量可以在充电后几天或几周消失，在升温状态下，这种状况会加速发生。,超级电容器的性能参数自放电,图中，EPR为等效并联电阻，代表超级电容器的漏电流，影响长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几十k，所以漏电流很小。 24A/F,超级电容器的性能参数漏电流,漏电流和自放电在本质上无差别，机理也基本相同。究其根本在于电 极、电解液或其他与电芯有关的构成部分含有的微量杂质（未除干净的 H2O、气体，材料的纯度等）。,漏电流 任何超级电容器都会在通电的情况下，通过内部并

14、联电阻放电，这个放电电流就称为漏电流。 漏电流本身是电容的一种固有特性，会因为测试时间，测试电压得出不同的值。目前，漏电流还没有一 个明确的测试标准，一 般都是取24h或者72h后电路中的电流值为漏电 流。 几千法拉的超级电容器漏电流一般在几个毫安。,由于超级电容漏电流比较小，所以只要在充电时恒压保持足够长的时间，那么能量就能储存很长时间，这一点是很有意义的。 当温度升高时，离子的热振动加强，漏电流也会加剧。,超级电容器的性能参数漏电流,超级电容器的构成,从结构看，超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料组成，其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响

15、，采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。,电极材料,高的比容量； 在高电导率的电解质中有高的稳定性； 长的充电放电循环寿命； 有良好的电子导电率或离子导电率； 能进行高倍率充电和放电； 能在宽广的工作温度范围内工作； 保证最大比表面积和最小等效串联电阻的合理孔径分布； 最小的接触电阻和电极欧姆电阻； 材料来源丰富，价格低廉； 环保,用于双电层电容器的碳材料,碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。从1954年Beck发表 相关专利以来，至今已有半个世纪的发展历史了。 对于双电层形式碳电化学电容器，必须要求：（1）具有高的实际比表面积，如达到1000m2/g；（2）在多孔阵列

16、中，粒子间具有良好导电性；（3）表面与电解液有良好的接触。（4）理想的碳材料必须要避免杂质的影响，以减小自泄露速率。 碳电极电容器主要是利用存储在电极/电解液界面的双电层能量，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。理论上讲，比表面积越大，容量也越大，但导电率会下降。 目前通常使用的AC比表面为15002000m2/g，其最高比容量达到 280F/g(水系电解液)和120F/g(非水系电解液)。,电解质系统,四烷基铵盐由于其在非水溶液中优良的溶解能力及具有较高的电导率 而成为一种优选的电解液。这类盐的应用避免了电容器阴极上因碱金属沉积而导致意外过电荷的可能性。然而，该电解质相当昂贵，并且必须非常

17、纯，需保持干燥，以避免在充电时2H2+O2的形成，随后再产生往复反应而导致自放电效应。,大多数非水电解质溶液比水溶液更难提纯，残留的杂质会导致严重的自放电问题，有时会引起反复的还原过程。 非水电解质溶液的纯化和干燥要求比较严格，价格比较昂贵，增加了制造成本。,隔膜,作用及要求：,绝缘性,离子能通过（且电阻要小）,吸液性（粘附性）较好,具有一定的强度,隔 膜,就结构而言，隔膜需具有足够的孔隙度来吸收电解液，以维持较高的离子传导度。然而隔膜会增加电子阻抗，以及占据电容中可利用的空间等不利于电容表现的因素。因此隔膜的选择在电容表现上（如功率密度，能量密度，循环效能以及安全性等）扮演着重要的角色。对于

18、电容而言，在一定的机械强度要求下，其厚度必须非常薄且具有高孔隙度。在安全性的考虑下，隔膜必须能在电容温度上升时启动闭孔机制，以防止热爆走发生，引起爆炸。然而隔膜可能因电容装过程中引入不当颗粒，或因异常使用造成内部局部短路、过热而引起爆炸。,隔膜技术现状,目前商用隔膜材料多为聚烯烃（Polyolefin），如聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）为主，厚度一般在1040m范围，孔洞大小则分布在30200nm之间。 技术含量高，投资成本高，周期长，风险大，国内可以生产的企业屈指可数。“高技术，高资本”，是技术壁垒最高的一种高附加值材料。且项目从启动到投产运行周期很长，投资风险较大，一定程度上阻碍了国内企业对这一重要领域的投资。,超级电容器的应用,配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电启动系统,用作高压开关设备的直流操作电源,用作电动车辆起步，加速及制动能量的回收,用于重要用户的不间断供电系统,用于风力及太