什么是超级电容器？工作原理、类型及应用介绍

1.什么是超级电容器

超级电容器又称为电化学电容器，是一种将电池和传统电容器功能进行整合的新型的储能装置;与传统电池和电容器相比，超级电容器具有比功率密度大、能快速充/放电、使用温度范围宽泛、污染小、循环使用寿命长等诸多优点。

2.超级电容器工作原理

超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图。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，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。

超级电容器工作原理

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，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

3.超级电容器类型

(1)双层电容器：双层电容器由两个电极、隔膜和电解质组成。电解质是溶解在水中的正离子和负离子的混合物。两个电极由隔板隔开。左侧电极面同样与左侧电解液接触;右侧电极表面与右侧液体电解质接触。液体电解质和电极表面相遇的点将形成液体电解质和不溶性固体电极表面的共同边界。

(2)伪电容器：伪电容器通过电极和电解质之间的电子电荷转移(电子从电解质到阴极或从阴极到电解质)存储电能。这可以通过氧化还原(还原氧化反应)来完成。还原：当原子获得一个电子并变得更负时会发生还原。氧化：当原子失去电子并变得更正时会发生氧化。还原氧化：当一个原子获得(或失去)一个电子而另一个原子失去(或获得)一个电子时，就会发生还原氧化。

(3)混合电容器：混合电容器是利用双层电容器和伪电容器的技术开发的。在混合电容器中，实现了双层电容和伪电容。

4.超级电容器的主要应用

(1)一般应用

消费电子产品：在负载波动的应用中，例如膝上型计算机、PDA、GPS、便携式媒体播放器、手持设备、和光伏系统，超级电容器可以稳定电源。超级电容器用于输送功率照相闪光灯在数码相机和用于LED手电筒，可以在时间短得多段充电。

工具：带有用于储能的超级电容器的无绳电动螺丝刀的运行时间约为同类电池型号的一半，但可以在90秒内充满电。闲置三个月后，它还可以保留85%的电量。

电网电源缓冲器：许多非线性负载，例如EV充电器、HEV、空调系统和高级电源转换系统，都会导致电流波动和谐波。这些电流差异会造成不必要的电压波动，从而导致电网上的功率振荡。功率振荡不仅会降低电网的效率，还会导致公共耦合总线中的电压下降，以及整个系统的相当大的频率波动。为了克服这个问题，超级电容器可以作为负载和电网之间的接口来实现，以充当电网和从充电站汲取的高脉冲功率之间的缓冲器。

低功耗设备电源缓冲器：超级电容器为RAM、SRAM、微控制器和PC卡等低功耗设备提供备用或紧急关闭电源。它们是低能耗应用的唯一电源，例如自动抄表(AMR)设备或工业电子设备中的事件通知。超级电容器缓冲往返可充电电池的电源，减轻短时间断电和高电流峰值的影响。电池仅在长时间中断期间启动，例如，如果主电源或燃料电池出现故障，这会延长电池寿命。不间断电源(UPS)可以由超级电容器供电，它可以取代更大的电解电容器组。这种组合降低了每个周期的成本，节省了更换和维护成本，使电池能够缩小尺寸并延长电池寿命。

稳压器：超级电容器可以通过充当阻尼器来稳定电力线的电压波动。风力和光伏系统表现出由超级电容器可以在几毫秒内缓冲的阵风或云引起的波动供应。

微电网：超级电容器可用于微电网存储，以在需求高且产量暂时下降时瞬间注入电力，并在反向条件下存储能量。它们在这种情况下很有用，因为微电网越来越多地产生直流电，并且电容器可用于直流和交流应用。超级电容器与化学电池配合使用效果最佳。

能量收集：超级电容器是适用于能量收集系统的临时储能装置。在能量收集系统中，能量从环境或可再生能源(例如机械运动、光或电磁场)收集，并在能量存储设备中转换为电能。例如，已经证明从RF(射频)场(使用RF天线作为适当的整流器电路)收集的能量可以存储到印刷超级电容器中。然后使用收集到的能量为专用集成电路(ASIC)电路供电10多个小时。

医疗：超级电容器用于除颤器中，它们可以提供500焦耳的能量将心脏电击回窦性心律。

(2)运输

航空：2005年，航空航天系统和控制公司迪尔LuftfahrtElektronik公司有限公司选择了超级电容器电源应急驱动器的门和逃生滑梯中使用飞机，包括空客380。

军事：超级电容器的低内阻支持需要短期高电流的应用。最早的用途是用于坦克和潜艇中的大型发动机的发动机启动(冷发动机启动，尤其是柴油机)。超级电容器缓冲电池，处理短电流峰值，减少循环并延长电池寿命。需要高比功率的其他军事应用包括相控阵雷达天线、激光电源、军用无线电通信、航空电子显示器和仪器、安全气囊部署的备用电源以及GPS制导导弹和射弹。

汽车：丰田的YarisHybrid-R概念车使用超级电容器提供爆发式动力。PSAPeugeotCitroën已开始使用超级电容器作为其启停节油系统的一部分，该系统可实现更快的初始加速。马自达的i-ELOOP系统在减速期间将能量存储在超级电容器中，并在发动机被停止启动系统停止时使用它为车载电气系统供电。

巴士/电车：美国超级电容器制造商MaxwellTechnologies声称，超过20,000辆混合动力公交车使用这些设备来提高加速度，尤其是在中国。广州，2014年，中国开始使用由超级电容器供电的有轨电车，通过位于轨道之间的设备在30秒内充电，储存电力以运行电车长达4公里——足以到达下一站，在那里自行车可以被重复。CAF还在其Urbos3有轨电车上以ACR系统的形式提供超级电容器。

铁路：超级电容器可用于补充配备柴电传动的柴油铁路机车的启动系统中的电池。电容器捕获完全停止的制动能量，并提供用于启动柴油机和列车加速的峰值电流，并确保线电压的稳定。根据驾驶模式的不同，通过回收制动能量可以节省高达30%的能源。低维护和环保材料鼓励选择超级电容器。

轻轨和有轨电车：超级电容器不仅可以减少能源，还可以取代历史城区的架空线路，从而保护城市的建筑遗产。这种方法可能允许许多新的轻轨城市线路取代成本太高而无法完全布线的架空线。

(3)其它应用

手电筒应用。

太阳能应用。

超级电容器用于笔记本电脑、便携式媒体播放器、手持设备和光伏系统等电子设备中以稳定电源。

超级电容器用作能量收集系统的临时储能装置。

超级电容器用于除颤器(一种通过向胸壁提供电流来控制不规则心跳的仪器)。

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