超级电容器技术及其应用分析

张誉 蒋良航

【摘 要】在电子信息时代，电力设备已经成为人们日常生活中必不可少的工具，可以代替人们完成各种复杂的操作。当前，电力设备的耗电需求不断增加，对电容器的存储量要求不断提升。传统电容器无法满足现代化电路运行的要求，早期简单的电路结构逐渐被复杂的电路结构形式取代。超级电容器应运而生，能够有效地解决大负荷电路运行难的问题，确保电子设备正常发挥使用功能。

【关键词】超级电容器;技术;应用

【中图分类号】TB332;TM53【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）04-0110-03

超级电容器作为一种电化学储能装置，具有高度可逆的性质，功率密度远超普通电容器。它具有充电效率高，无须维护，无毒无害，绿色环保的优势。与普通电池相比，超级电容器能量密度远低于普通电容器，这也导致超级电容器的发展受到限制。要积极加强对电容器的比容量研究，将超级电容器与普通电容器结合使用，充分发挥两者的优势，满足未来储能器的发展需求。

1 超级电容器概念

1.1 超级电容器的概念和原理

超级电容器类似于蓄电池，是具有强大的程度差异的储能装置，介于普通电池和普通电容器的超级电化学元件 [1]。超级电容器的储能过程具有高度可逆性，而且是物理变化的过程，既可以实现反复充放电，又不会对电容产生干扰。

1.2 超级电容器的储能原理

超级电容器的核心是双电层结构，有外加电压作用于普通电容器的两个极板时，装置储能的电荷原理相同，正负电极和正负电荷一一对应，在电场作用下，电解液和电极之间会发生相反电荷，分别位于不同的接触面，电容器结构组合的改进，可以提高超级电容器的电容储量。超级电容器两极板之间的电势小于电解液标准时，电容器处于正常工作状态，根据超级电容器的反应原理，在实际运用中可能没有化学反应，仅发生物理性质的变化，因此超级电容器的稳定性更佳。

1.3 超级电容器的主要分类

超级电容器根据不同的储能原理可以分为双电层电容器、混合型电容器和準电容器等类型，混合型电容器可以解决蓄电池功率密度低和能量密度低的缺点。从电极材料方面划分，包括导电聚合物、超级电容器、贵金属氧化物。从电极反应状况划分，超级电容器包括对称型和非对称型两种类型。

2 超级电容器的主要特点

2.1 超级电容器的优点

与普通电容器相比，超级电容器具有多方面的优势。利用超级电容器功率密度高的特点，能够在电极或电解液界面中实现电荷的快速存储与释放，输出功率高，这一特性任何普通电源都无法实现。超级电容器不会发生化学反应，完全通过物理反应的方式工作，能够极大延长超级电容器循环充放电的寿命，整个过程不会造成能量损耗，超级电容器只需要15 min就可以充满容量 [2]。在超级电容器充满以后，尽管依然有微量的电流，但是内部并不会产生化学反应，或者产生新的物质，电极在电解液中非常稳定。有学者认为超级电容器的储能寿命可以无限延长。超级电容器内部没有运动部件，也不存在维护工作量，可靠性更高。久置不用后，很多普通电池会发生电压降低的问题，但超级电容器的容量性能并不会随之改变。超级电容器在生产运输和使用时不会产生对环境污染的物质，整个电路设计非常简单，可以直接对剩余电量进行快速读取，检测十分方便。超级电容器通过对早期电容器进行改良，其电容量可以达到法拉级别，更有效满足复杂电路的运行需要。超级电容器的电路结构设计非常简单，没有特殊充电电路和控制放电电路等电容器的整体使用，也不会出现过充、过放等问题。普通电容器无法进行焊接，超级电容器可以根据实际需求进行焊接处理，有效避免电池接触不良等异常问题，增强了电容器使用的可靠性。

2.2 超级电容器的缺点

超级电容器自身的能量密度非常低，这是目前超级电容器最主要的缺点，使得超级电容器的体积比较大。中科院金属研究科研人员提出运用电化学电荷注入的方式改变电极材料表面化学结构，对正负电极材料的电化学电位进行调控，达到最佳的初始电位，使得组装超级电容器在调控后的能量密度显著增加。运用电化学预包裹的方式，利用二氟草酸硼酸锂的分解在正电极表面预先包覆一层纳米尺度保护层，可以有效解决超级电容器随能量密度增加使用循环寿命降低的问题，利用锂电子超级电容器的智能电芯，设计出实用的电芯结构，有效减少废旧电线处理造成资源浪费的情况 [3]。超级电容器单体电压非常低，受到电解溶液分解电压的限制，与常规电解电容器相比，超级电容器自身的内阻更大，不适用于交流电路。通过对超级电容器进行性能测试发现，超级电容器安装位置不合理也会引发电解质泄漏等问题，严重破坏电容器自身的结构。超级电容器仅限于直流电路使用，与铝电解容器相比较，其拥有更大的电阻，不适用于交流电路运行需求。超级电容器作为全新的高科技产品，目前的市场价格还非常昂贵，导致超级电容器的推广和普及难度加大。

2.3 超级电容器与其他储能装置比较

超级电容器的出现填补了普通电容器的空白，不仅比功率远超出普通电池，充电时间非常短，可以快速放电，充放电效率相当高，还能够有效延长使用寿命。

3 超级电容器的主要应用领域

3.1 轨道交通领域

超级电容在有轨电车、地铁制动能量回收装置等方面被广泛应用。目前，有轨电车主要通过超级电容器作为动力来源，无须接触网就能够快速完成充电。地铁之间的间距非常短，制动频繁，制动能量相当高，可以用超级电容器制动能量回收装置取代制动电阻，在汽车启动时释放制动能量，对地铁运输节能具有非常重要的作用 [4]。超级电容器工作温度为-40～70 ℃，可承受50万次的充放电深度循环。超级电容器作为一种储能系统，早在2006年，上海巴士集团就已经将超级电容公交系统用于日常运行，公交车的线路行驶固定，只需要在停靠站点时利用乘客上下车的时间，就能够采用超级电容技术快速补充能量，实现续航，直至下一个充电站。与传统的电子式电力公交相比较，采用超级电容器的公交系统不再受到电线的局限，也不会因为故障造成车辆无法自动运行，提高城市的整体市容环境，但是超级电容公交车在早期存在散热不及时的问题，使得车辆在行驶过程中会出现噪音偏大、运行速度慢、车辆突然停止、充电设备被挤占等问题。随着技术的革新，全新高能量智能超级电容车在2019年9月正式运营，这不仅彻底解决了超级电容系统高温性能不佳、噪音大、续航里程短等问题，还能够实现单次充电40 s运行10 km的续航水平，整个充电站随着线路的不断增加，超级电容公交系统也变得越来越便捷。在私家车领域，超级电容器无法持续输出能量，同时私家车也没有固定的行驶路线，私家车目前很难将超级电容器作为唯一的能量来源，但是可以通过超级电容器作为传统动力电池的辅助。在短时间内提高电动车的整体续航能力，超级电容器自身的回收储能效率也比普通电池更高。在充电阶段，超级电容器能够使车辆在极短时间内完成充能，消除充电的长时间等待。在红灯车辆停止状态下，超级电容器就能够为电池组自动充电。在车辆需要加速时，超级电容器还可以直接向电机输出大电流，或者电池组将电能反向输出给超级电容器，增强瞬间电流的输出效果。目前，超级电容器很难在电动车上大规模普及与推广，但是可以搭配电池进行使用，获得更好的效果。搭配超级电容器之后，电动车续航能力得到全面提高，有效减少电池的整体重量，使得电池变得更加小巧精致，减轻电动车的重量，同时能够提高能源消耗效果，降低生产成本。超级电容还可以应用在智能充电桩技术中，目前超级快充桩普及瓶颈在于网络负载能力。利用超级快充技术，能够打破网络负载的局限。在闲置状态下，超级电容器可以直接通过低功率或高压直流电动充电，不会给电网造成负荷压力，在充满电的状态下可以实现大功率的直流输出，使得超级电容器实现快速充电。超级电容器的能量密度比较低，安全性非常高，不占空间，体积较小。在车底正中央安装超级电容器，能够有效避免因为事故碰撞造成超级电容器出现异常问题 [5]。

3.2 可再生能源领域

目前，随着风力发电和太阳能发电的不断发展，我国已经有很多清洁能源项目，但这些清洁能源。随机性和波动性的特点，使得蓄电池频繁充电，缩短蓄电池的使用寿命。超级电容器可以有效解决这些问题，可以为微电网提供大量的缓冲能量，改善电力的整体品质，提高系统的稳定性与可靠性。

3.3 消费电子

电容器可以在短时间内提供大电流，在系统电压突然降低的情况下，还可以充当后备电源使用。主电源发生中断、接触不良或者负载过大等问题，运用超级电容器可以有效避免突然断电对整个电器造成的负面影响。

3.4 变频驱动系统能量缓冲器

超级电容器的功率变换器可以共同构成能量缓冲器，可以应用于电梯等电驱动系统中，在系统加速时，能够由直流母线提供电流，提高电机所需的峰值功率。在减速时，可以向直流母线进行能量回收，利用动力UPS可以直接将超级电容器作为储能组件，避免多节蓄电池串联引发的各种问题，有效降低变频驱动系统的成本，方便维护使用。

3.5 军事装备

军事系统要求储能单元必须轻便可靠，具有隐蔽性，但很多军用设备无法通过公共电网供电，需要配备专用发电设备和储能机制，混合型超级电容器能够满足军事装备的需求，减轻设备的负担 [6]。同时，它可以有效解决潜艇中蓄电池寿命短的问题，还可以避免因为低温启动困难造成车辆运输受到影响，全面提升车辆的动力性和隐蔽性。微电网通常配备可再生能源发电机，目前在并网中还存在限制，为避免对微电网造成干扰，可以選择ESS管理策略。超级电容器可以改善电池储能系统的缺陷，也能够增强电池放电功率的整体性能。可以联合电池储能系统在微电网中应用。超级电容器具有高弹性快速响应的优势，满足电力需求，使系统的运行效率更高，延长燃料电池的整体使用寿命。

未来，超级电容器的发展趋势主要有以下几个方面。低成本、高密度是超级电容器未来发展的主要方向，能够显著降低设计成本，促进超级电容器的快速普及。超级电容器具有更高的密度、免维护、长寿命的使用特性，能够扩大市场占有率，并且实现超高功率的发展。超级电容器在不同领域中的老化机理研究及电容器储能系统控制策略，也是未来超级电容器的主要发展趋势，可以帮助超级电容储能系统实现优化，减少系统设计时造成的各种不利因素 [7]。

4 结语

我国一直以来主要以常规电容器为主，通过两片接近或相互绝缘电极构成储存电荷电能的电子元件。超级电容通过双电层电容器，具备充电时间短、运行寿命长、温控效果好、环保性能强的优势，在未来社会发展中具有非常广阔的应用前景，超级电容器取代传统储能器也是一种必然的发展趋势。

参 考 文 献

[1]何昫.三氧化钨超级电容器电极材料的制备与性能研究[D].长春：吉林大学，2020.

[2]代立新.高性能水凝胶电解质的制备及在电化学储能中的应用[D].长春：吉林大学，2020.

[3]陈志敏.生物质基分级多孔炭的制备及电化学性能研究[D].长春：吉林大学，2020.

[4]李涛.新型多孔有机聚合物的构筑及电化学性能研究[D].无锡：江南大学，2020.

[5]徐少文.高能量密度生物质衍生炭基超级电容器的构建[D].兰州：兰州大学，2020.

[6]沈苗.泡沫镍负载Ni3S2/聚吡咯复合材料的制备及其超容性能研究[D].长沙：湖南师范大学，2020.

[7]杨娜娜.不同维度碳材料负载MOFs复合材料的制备与电容性能[D].西安：西安科技大学，2020.