超级电容器技术及其低碳经济意义

王东杰

(浙江海洋学院油气储运系 浙江 舟山 316000)

竺哲欣

(浙江理工大学材料科学与工程系 浙江 杭州 310018)

竺江峰

(浙江海洋学院物理实验教学中心 浙江 舟山 316000)

1 引言

如果有人告诉你，印度洋上的岛国马尔代夫有一天会永远消失，你是否会相信？这并非危言耸听.由于温室气体过量排放，地球气候已经开始以超出2 ℃的地球生态警戒线升温.人类渴望寻找到一种绿色环保的可再生能源来替代现有的污染严重的一次性能源，超级电容器的问世为人类的可持续发展带来了福音.作为一种介于传统电容器与电池之间的新型储能元件——超级电容器具有超大容量、高功率密度、长循环寿命、充放电效率高、免维护、经济环保等特点，引起了世界广泛的关注.美国《探索》杂志2007年1月号，将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池.

2 超级电容器的结构与储能原理

2.1 超级电容器的结构

超级电容器主要由电极、电解液、集电极、隔膜、连线极柱、密封材料和排气阀组成，其结构图如图1所示.电极的材料、制造技术，电解质的组成和隔膜质量对超级电容器的性能有较大影响[1].超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨.

由图1可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性炭,有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储巨大的静电能量.超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间的[2].

图1 超级电容器结构图

2.2 超级电容器的储能原理

图2为储能原理示意图.当外加电压加到超级

图2 超级电容器原理图

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，在超极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.

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3 V以下[3])；若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相应减少.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.因此性能稳定，与利用化学反应的蓄电池不同[2].

3 超级电容器的优点[4]

3.1 超高的容量

超级电容器容量范围为0.1～6 000 F，比同体积的电解电容器容量大2 000～6 000倍.

3.2 功率密度高

超级电容器能提供瞬时的大电流，在短时间内电流可以达到几百甚至几千A，其功率密度是电池的10～100倍，可达到10×103W/kg左右.

3.3 充放电效率高使用寿命长

超级电容器的充放电过程通常不会对电极材料的结构产生影响，材料的使用寿命不受循环次数的影响，充放电循环次数在105以上.

3.4 放置时间长

长时间放置，超级电容器的电压会下降，再次充电可以充到原来的电位，对超级电容器的容量性能无影响.

3.5 温度范围宽

通常为- 40 ℃～+70 ℃.超级电容器电极材料的反应速率受温度影响不大.

3.6 免维护材料环保

超级电容器用的材料是安全、无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池用的材料具有毒性.

4 超级电容器在低碳经济中的应用

超级电容器的应用范围极为广泛，小到存储器的备用电源、电动玩具的电源，大到航天导弹发射的大功率启动系统、电动汽车的能量功率系统等.一切与能量功率相关的仪器设备系统均有超级电容器的身影.

4.1 超级电容器在汽车领域中的应用

上千法级的超级电容器可用作电动汽车的短时驱动电源，可以在汽车启动和爬坡时快速提供大电流从而获得大功率以提供强大的动力；在正常行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快速存储发电机产生的瞬时大电流，回收能量.这可以减少电动汽车对蓄电池大电流放电的限制，极大地延长蓄电池的循环使用寿命，提高电动汽车的实用性[5].

2007年底，日本小松叉车推出采用超级电容器与蓄电池混合动力技术的电动叉车.日本本田公司将双电层电容器与汽油机相结合，研制出一种综合电动机助力器系统，使内燃机主要工作在最佳工作点附近，大大降低内燃机的排放，并可回收制动能量；若装在小客车上可极大地降低汽油机燃油消耗量，成为低排放的节能汽车.日本丰田公司研制的混合电动汽车，其排放与传统汽油机车相比CO2下降50%，HC、CO和氮的氧化物排放降低90%，燃油节省一半.

目前，我国采用纯超级电容动力技术的电动汽车已投入运行.由哈尔滨市某公司生产的国内首台电容电动公交车在山东烟台试运成功.该车有充电时间短，行驶里程长的特点，一次充电15 min便能连续行驶25 km，最高时速可达52 km，这一创新成果在单纯以电容为能源的国际电动车领域遥遥领先.除此之外还有北京市的“前门一号”以及上海市的11路公交车，也都采用纯超级电容器作为驱动电源.纯超级电容器车具有以下优点：

(1)绿色无污染，零排放；

(2)充电速度快，充放电效率高，循环使用寿命长；

(3)刹车再生能量回收率高，真正实现免维护等.

4.2 超级电容器在风力发电与太阳能发电系统中的应用

在风力发电和太阳能发电系统中，由于风力与太阳能的不稳定性，会引起蓄电池反复频繁充电，结果大大缩短电池寿命.利用双电层电容器吸收或补充电能的波动，可以轻松解决这一问题，从而使人类更多地利用绿色能源，促进低碳经济的发展.此外，在有瞬间强负载系统中，利用双电层电容器可以起到稳定系统电压，减少系统电源容量配制的作用.

4.3 超级电容器在电力系统中的应用

大容量超级电容器的另一个重要应用在电力系统上，运用超级电容器进行重要系统的瞬态稳压稳流，特别是在大功率系统上，几乎是不可替代的器件[6].在这方面，据华北电力大学电能质量研究所的调查，在众多大型石化、电子、纺织等企业，各企业每年因电力波动的损失高达上千万元人民币；另外，芯片企业在选址时考虑电力的波动也是一个非常重要的环节，而超级电容器系统则可以完全解决这个问题.

4.4 超级电容器在其他领域中的应用

随着电子工业的发展，超级电容器在短时UPS系统、汽车防盗系统、汽车音响系统、免维护系统等领域均具有非常广泛的应用.由于超级电容器储能高、循环寿命长、质量轻，还可用做存储器、微型计算机、系统主板和钟表等的备用电源.

5 超级电容器的前景

超级电容器技术是一项意义相当重大的技术，这项技术一旦进入成熟的工业生产，将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池.按照2006年4月发表的专利，EEStor公司发明的能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面.从技术上说，它并不是电池而是一种超级电容器，它在5 min内充的电能可以让一个电动车走500 mile，电费只有9美元.而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元.

与传统的电化学电池相比，超级电容器有很多优点.它可以无限制地接受无数次放电和充电，超级电容器没有“记忆”.由EEStor公司开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高.该超级电容器的能量密度可达0.28×103W·h/kg；而锂电池是0.12×103W·h/kg，铅酸电池只有0.032×103W·h/kg.这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能.好的铅酸电池能充电500～700次，而新的超级电容器可反复充电100万次以上也不会出现材料降解问题.而且，由于它不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险，没有安全隐患.

超级电容器的发明不仅从根本上改变了电动汽车在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等间歇式能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们能源安全的需求，减少对石油的依赖.显然，该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁.

我们可以设想一下：如果世界上所有的汽车都是用超级电容器来驱动的话，那么“低碳时代”还会远吗？

6 结束语

超级电容器是20世纪70、80年代发展起来的一种新型储能器件.在20世纪80年代初我国学者就注意到了双电层电容器的研究[7]，但国内对超级电容器的研究始于90年代后期.尽管国内在超级电容器领域的研究和开发的起步较晚，但发展势头不容忽视.

说起绿色能源，人们通常想到的是太阳能、风能、生物能、氢能等等.不过，从技术角度和人类长远的可持续发展来看，超级电容器才是21世纪低碳经济中最理想的储能再生动力电源.超级电容器技术也不愧是低碳经济中的黄金技术.

参考文献

1 储军，陈杰，李忠学. 电动车用超级电容器充放电性能的实验研究. 机械，2004，31(3)：20～22

2 陈永真, 孟丽囡, 宁武 .超级电容器原理及电特性. 辽宁工学院学报，2002

3 M．Endo, T．Takeda, Y．J．Kim, et at． High Power Electric DoubleLayer Capacitor(EDLC′s) ； from Operating Principle to Pore SizeControl in Advanced Activated Carbons． Carbon Science，2001，1(3&4)：117～128

4 陈英放，李媛媛，邓梅根 .超级电容器的原理及应用. 电子元件与材料,2004(4): 6～9

5 Mike D著. 张鲁滨译.超级电容器应用于汽车的优势及前景 . 汽车维修与保养, 2004(5): 53～55

6 Maxwell T, Robert T. 超级电容器提供重要的高功率特性 . 电子产品世界, 2004(20): 83～86

7 董恩沛. 双电层电容器.电子科学技术,1981(8): 19～21