超级电容器的技术特点与市场应用研究

高玉双 张静 刘鹏

摘 要：超级电容器作为一种新型储能设备，具有功率密度高、使用时间长、护理频率低放电功率大等特点。本文简要介绍了超级电容器的技术特征和原理，并对超级电容器在电车、电子类电源和电力系統中的应用作了介绍。

关键词：超级电容器;技术;市场应用

近年来，超级电容器以其瞬间大功率输出的特点，越来越引起人们的关注。与二次电池相比，超级电容器具有寿命长、放电频率高、污染小和安全性能高等优势。本文通过对超级电容器的技术构成和市场应用进行分析，试图展示超级电容器良好的开发和市场前景。

一、超级电容器的工作原理和特征

超级电容器又被称为电化学电容器，是近年来新发展的一种新型储能设备。由美国学者贝克首先提出，将电容器作为储能元件。此后，在研发过程中，研究者将金属氧化物或氮化物作为电极的活性物质，由此超级电容器具有了双电层电容所无法匹敌的优势。

具体而言，超级电容器又包括双电层电容器和法拉第准电容器，两者构成了超级电容器运作的主要原理。双电层电容器通过电极和电解质的交互作用形成的界面双电层进行能量的储存。电极和电解液在接触时，会因为库仑力、分子间力的作用，而产生符号相反的两层电荷，即界面双电层。双电层电容器的储能主要通过电解质溶液的电化学极化实现，由于不需要进行电化学反应，因此，双电层电容器的储能过程是可逆的。

法拉第准电容器在电极形成的空间上进行欠电位沉积，由此产生化学吸脱附和氧化还原反应，并形成与电极充电电位有关的电容。在储存电荷的过程中，电容器中的电解液中离子会在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。

作为物理电容器和传统电池间的储能设备，超级电容器具有巨大的优势。相较于传统储能设备，它的特点如下：一是功率密度更高，超级电容器的内阻更小，电极和电解液形成的界面与电极材料本身都可以实现电荷的储存;二是寿命更长，电容器实现充放电不需要借助电化学反应，因此，充放电时间更少，并且在循环使用上可以达到万次以上。三是在电能输出上可以实现高比功率的输出。四是使用寿命长，安全系数高，由于不需要相关的其他运动零件，因此不需要进行反复维护。五是耐用性强，电容器可以在超低温和高温条件下使用，还可以进行并联和串联使用，以增加电容量，提高电压级别。

二、超级电容器在电车电源领域的应用

由于车辆在启动、爬坡和加速时对电源功率的高强度要求，因此，超级电容器具有的高功率性质使其广泛运用于电车电源领域。此外，通过使用超级电容器与蓄电池并联的方式还可以减少车载电池的体积，并且延长电池的寿命。目前，世界各国已基本将超级电容器作为电动车的启动电源。例如，通用汽车就已将超级电容器组成并联混合电源系统和串联电源系统应用于电车之上。在我国，将超级电容器运用于电车始于2004年。在很大程度上，超级电容器的运用解决了电车造成的机动性能差的问题，避免了传统蓄电池造成的二次污染。

三、超级电容器在电子类电源领域的应用

在电子类电源领域，超级电容器主要运用于小型电子类装备中，并且在卫星等高端设备领域也有应用。在卫星上配备超级电容器，可以极大地改善太阳能与电池组成的混合电源造成的减弱卫星脉冲通讯能力的问题。在小型电子类装备领域，超级电容器的快速充电性能，可以增加这些设备使用的便捷性。此外，超级电容器在移动通信电源领域和医疗器械领域也有应用。在移动通信电源领域，由于超级电容器具有的高功率密度和低能量密度的特性，可以将其和其他电源混合使用，并且还可以用于短时功率后备能源以保护存储器数据。在医疗器械领域，超级电容器的过渡充放电保护电路性能可以防止医疗过程中突然断电造成的损失。

四、超级电容器在电力系统领域中的应用

在大型电力系统领域，电站所采用的控制性设备多是电磁操作开关，并配备有专门用于控制和保护用的直流电源。但是，由于传统电解电容器的容量有限，造成电源使用时间有限，可靠性较差。与此相反，超级电容器则可以保证分闸能量供应的绝对可靠，同时也保留了传统电容储能式硅整流分合闸装置的优点。此外，由于蓄电池自身寿命短、维护频繁等局限性导致电站UPS在运行中需时刻注意蓄电池的状态。超级电容器则因其输出电流可以迅速提升，可以在短时间内实现能量储存，因此可以在电源故障时随时启用。当然，需要注意的是，超级电容器所出能量所能支持的供电时间较短，在一分钟内具有较大的优势，可以进行50万次电循环，使UPS真正实现免维护。

五、结论

超级电容器解决了传统电源功率密度和能量密度之间的矛盾，避免了传统电源运用中频繁充电和频繁更换电池的问题。近年来，超级电容器逐渐开始运用到电子类电源、电力系统以及太阳能、风能等领域，这对于减少电池维护利用频率，增强电能的使用效率具有非常大的好处。

参考文献：

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