浅谈超级电容技术原理及在电动车上的应用

详细内容

　　1.引 言

　　超级电容器又叫双电层电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离，两块极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数为ε）所隔离，电容值为：

　　C = ε？A / 3.6 πd ?10-6 （μF）

　　其中A为极板面积，d为介质厚度

　　所储存的能量为：

　　E = 1/2 C （ΔV）2

　　其中C为电容值，ΔV为极板间的电压降。可见，若想获得较大的电容量、储存更多的能量，必须增大面积A或减少介质厚度d。

　　双电层电容器中，采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联。

　　由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A），而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度d），根据前面的计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。

　　2.产品分类：

　　超级电容器完全不同于传统的电解电容器，由于特殊的原材料、特殊的制作方法，其单体容量能够超过传统电容器的1000倍以上，在0.6升的体积内就能够达到10000F以上的容量，兼具电池与电容的双重特性，成为一种性能极佳的动力电源。超级电容器是利用双电层原理的电容器。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。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。

　　根据使用目的不同，超级电容器可以分为以下两类：

　　（1）启动型超级电容器：即轻型的超级电容器，可以输出几秒到几十秒的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，常用于各类电动汽车和重型机械设备中，单体容量50F以上，50000F以下，可几个到几百个串联使用，组件电压从12VDC直到700VDC以上；

　　（2）牵引型超级电容器：即重型的超级电容器，可以连续几分钟到几十分钟输出较高强度的电流，在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能供应工作，常用于各类电动汽车、机械设备、太阳能系统和电子电器中，单体容量最高可达到100000F以上，可以几个到几百个串并联使用，组件电压从12VDC直到800VDC以上；

　　3. 产品特性：

　　产品的技术特性

　　（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；

　　（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次；

　　（3）能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；

　　（4）功率密度高，可达300W/KG～5000W/KG，相当于电池的5～10倍；

　　（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；

　　（6）安全系数高，长期使用免维护；

　　（7）超低温特性好，可工作于摄氏零下30℃的环境中；

　　（8）检测方便，剩余电量可直接读出。

　　4.产品应用：

　　（1）作为固定线路电动汽车的主电源，提供短途行驶所需要的能量；

　　（2）作为燃料电池电动车的辅助动力电源，与燃料电池主电源形成混合动力，提供瞬间大功率（启动、爬坡、加速时）并回收刹车能量，起到重要的功率平衡作用；

　　（3）作为车辆、机械、船舶等设备中燃油发动机的辅助电源，形成油电混合动力，大幅度降低燃油的消耗、提高发动机峰值功率并减少有害气体排放；

　　（4）作为电池型电动工具的主电源，提供短时驱动的能量；

　　（5）作为太阳能、风能发电系统中的永久性蓄能装置；

　　（6）作为电站直流操作电源、高压环网功率补偿电源等；

　　（7）在电子电器中作为备用电池或主电池；