超级电容器是什么？性能特点有哪些？应用场景一览

1 超级电容器是什么

超级电容器是一种通过在界面双电层处或者近表面处发生物理吸附/脱附或者氧化还原反应来完成能量储存和释放的电化学储电装置。根据储能机理不同可以将超级电容器分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器两种。

(1)双电层超级电容器(Electric Double Layer Capacitor, EDLC) 是通过电解质离子在电极材料表面发生的物理吸附/脱附实现电荷的存储与释放

(2)赝电容超级电容器靠电解质离子在电极材料表面发生快速可逆的氧化还原反应、以及离子快速嵌入/脱出来实现能量的存储与释放。

2 超级电容器电极材料

电极材料对超级电容器的电化学性能、弯曲性能及稳定性都有着直接的影响。理想的电极材料应具备大的比表面积(更多的活性位点以获得高电容量)、丰富的孔隙结构(保证电解液离子的快速有效扩散)和良好的导电性(实现电荷快速传输)等特质。超级电容器电极材料也可根据其储能机理分为双电层电容电极材料和赝电容电极材料两种。

(1)双电层电容电极材料

常用的双电层电容电极材料主要是碳材料，如活性炭、碳纳米管和石墨烯等。由于它们具有好的导电性、稳定的化学和电化学性能、高的比表面积、丰富的形态和较低的成本等优点,碳材料在超级电容器和锂离子电池等储能器件中展现出巨大的应用潜力。

(2)赝电容电极材料

赝电容电极材料存储和释放电荷的过程是通过在电极材料的表面层发生可逆且快速的氧化还原反应来进行的，具有较大的理论电容量。这类材料具有较低的导电率和较小的比表面积，因此降低了电荷传输速率和活性反应位点。此外,在充放电过程中,由于氧化还原反应的发生,电极材料的体积会发生膨胀和收缩，导致循环稳定性降低。由于以上原因,致使赝电容的实际电容量远小于其理论值。通常采用将其与碳材料复合的策略来克服这些缺点。目前研究最多的赝电容电极材料有过渡金属化合物和导电聚合物。

3 超级电容器的特点

(1)功率密度高：可达100W/kg,远高于蓄电池的功率密度水平

(2)超高电容量：与同体积普通电容器相比，超级电容的电容量高出3个数量级以上

(3)充放电速度快：充电时间仅几分钟，普通电池则需要几个小时

(4)循环寿命长：在几秒钟的高速深度充放电循环100万次后，特性变化很小，容量和内阻仅降低10%^ 20%

(5)工作温限宽：其容量变化远小于蓄电池，商业化超级电容器的工作温度范围可达-40°C ~+80°C

(6)免维护：充放电效率高，对过充电和过放电承受能力较强，可反复充放电，理论上无需维护

(7)绿色环保：紧急制动能量回收高达75%;铅酸电池能量回收仅为5%，可节约大量燃料。

(8)能量密度低：仍然不能作为电动力的主要储电器，使用超级电容的公交车只能持续行驶几公里到几十公里

(9)耐压较低：单体电压低，受制于超级电睿器的电解溶液的分解电压

(10)成本高：成本高于锂电池与电解电容

(11)只能用于直流电路：内阻较大，不可以用于交流电路

4 超级电容器的应用场景

(1)高铁：超级电容可替代备用牵引电池，普通电池寿命只有2年左右，更换回收成本高。超级电容器使用寿命长达10-20年。

(2)电动轿车/电动跑车：超级电容器可使电池储能得到显著提升，通过能量转化，实现能量的高效循环利用。

(3)有轨电车：安装超级电容器的有轨电车行进中无需外部供电，充放电时间短。且以超级电容炭为原料的

(4)智能分布式电网系统：超级电容器可在因能源不稳定而发生暂态缓冲的情况下，作为缓冲器来存储能量

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