中心議題：

• 超級電容器的原理
• 超級電容器的特點
• 超級電容器的分類
• 超級電容器的應用

1 超級電容器的原理

超chao級ji電dian容rong也ye稱cheng電dian化hua學xue電dian容rong，與yu傳chuan統tong靜jing電dian電dian容rong器qi不bu同tong


，主zhu要yao表biao現xian在zai儲chu存cun能neng量liang的de多duo少shao上shang。作zuo為wei能neng量liang的de儲chu存cun或huo輸shu出chu裝zhuang置zhi，其qi儲chu能neng的de多duo少shao表biao現xian為wei電dian容rong量liang的de大da小xiao。根gen據ju超chao級ji電dian容rong器qi儲chu能neng的de機ji理li，其qi原yuan理li可ke分fen為wei：

1）在電極P 溶液界麵通過電子和離子或偶極子的定向排列所產生的雙電層電容器。

雙電層理論由19 世紀末H elm h otz 等提出。關於雙電層的代表理論和模型有好幾種

，其中以H elm h otz 模(mo)型(xing)最(zui)為(wei)簡(jian)單(dan)且(qie)能(neng)夠(gou)充(chong)分(fen)說(shuo)明(ming)雙(shuang)電(dian)層(ceng)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)。該(gai)模(mo)型(xing)認(ren)為(wei)金(jin)屬(shu)表(biao)麵(mian)上(shang)的(de)靜(jing)電(dian)荷(he)將(jiang)從(cong)溶(rong)液(ye)中(zhong)吸(xi)收(shou)部(bu)分(fen)不(bu)規(gui)則(ze)的(de)分(fen)配(pei)離(li)子(zi)


，使(shi)它(ta)們(men)在(zai)電(dian)極(ji)P 溶rong液ye界jie麵mian的de溶rong液ye一yi側ce，離li電dian極ji一yi定ding距ju離li排pai成cheng一yi排pai，形xing成cheng一yi個ge電dian荷he數shu量liang與yu電dian極ji表biao麵mian剩sheng餘yu電dian荷he數shu量liang相xiang等deng而er符fu號hao相xiang反fan的de界jie麵mian層ceng。於yu是shi，在zai電dian極ji上shang和he溶rong液ye中zhong就jiu形xing成cheng了le兩liang個ge電dian荷he層ceng，這zhe就jiu是shi我wo們men通tong常chang所suo講jiang的de雙shuang電dian層ceng。雙shuang電dian層ceng有you儲chu存cun電dian能neng量liang的de作zuo用yong，電dian容rong器qi的de容rong量liang可ke以yi利li用yong以yi下xia公gong式shi來lai計ji算suan：

式中，E為電容器的儲能大小
；C為電容器的電容量；V weidianrongqidegongzuodianya。youcikejian，shuangdiancengdianrongqiderongliangyudianjidianshihecailiaobenshendeshuxingyouguan。tongchangweilexingchengwendingdeshuangdianceng，yibancaiyongdaodianxingnenglianghaodejihuadianji。

2） 在電極表麵或體相中的二維與準二維空間，電活性物質進行欠電位沉積
，發生高度可逆的化學吸附
、脫附或氧化還原反應，產生與電極充電電位有關的法拉第準電容器。

zaidianhuoxingwuzhizhong

，suizhecunzaiyufaladidianhechuandihuaxuebianhuadedianhuaxueguochengdejinxing，jihuadianjishangfashengqiandianweichenjihuofashengyanghuahaiyuanfanying，chongfangdianxingweileisiyudianrongqi，erbutongyuercidianchi，butongzhichuwei：

（1）極化電極上的電壓與電量幾乎呈線性關係
；

（2）當電壓與時間成線性關係d V/d t=K時

，電容器的充放電電流為一恒定值I=Cd V/d t=CK.此過程為動力學可逆過程，與二次電池不同但與靜電類似。法拉第電容和雙電層電容的區別在於：雙電層電容在充電過程中需要消耗電解液
，而法拉第電容在整個充放電過程中電解液的濃度保持相對穩定。

faladizhundianrongbujinzaidianjibiaomianchansheng
，erqiehaikeyizaidianjineibuchansheng，qizuidachongfangdiannengliyoudianhuoxingwuzhibiaomiandeliziquxianghedianhezhuanyisudukongzhi，yincikeyizaiduanshijianneijinxingdianhezhuanyi，jikeyihuodegenggaodebigonglv（比功率大於500W /kg ）。

2 超級電容器的特點

超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)具(ju)有(you)優(you)良(liang)的(de)脈(mai)衝(chong)充(chong)放(fang)電(dian)和(he)大(da)容(rong)量(liang)儲(chu)能(neng)性(xing)能(neng)，單(dan)體(ti)容(rong)量(liang)已(yi)經(jing)達(da)到(dao)萬(wan)法(fa)拉(la)級(ji)是(shi)一(yi)種(zhong)介(jie)於(yu)靜(jing)電(dian)電(dian)容(rong)器(qi)與(yu)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)的(de)儲(chu)能(neng)元(yuan)件(jian)。與(yu)普(pu)通(tong)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)電(dian)池(chi)相(xiang)比(bi)
，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)具(ju)有(you)許(xu)多(duo)電(dian)池(chi)無(wu)法(fa)比(bi)擬(ni)的(de)優(you)點(dian)。

1）具有極高的功率密度。電容器的功率密度為電池的10~100倍，可達到10kW /kg 左右，可以在短時間內放出幾百到幾千安培的電流。這個特點使得超級電容器非常適合用於短時間高功率輸出的場合。

2）充電速度快。超級電容器充電是雙電層充放電的物理過程或是電極物質表麵的快速、kenidehuaxueguocheng，kecaiyongdadianliuchongdian，nengzaijishimiaodaoshufenzhongneiwanchengchongdianguocheng，shizhenzhengyiyishangdekuaisuchongdian。erxudianchizexuyaoshuxiaoshiwanchengchongdian，caiyongkuaisuchongdianyexuyaojishifenzhong。

3）使用壽命長。超級電容器充放電過程中發生的電化學反應都具有良好的可逆性
，不易出現類似電池中活性物質那樣的晶型轉變

、脫落、枝晶穿透隔膜等一係列的壽命終止現象，碳極電容器理論循環壽命為無窮大， 實際可達100000 次以上，比電池高10 ~100倍。

4）低(di)溫(wen)性(xing)能(neng)優(you)越(yue)。超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)充(chong)放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)發(fa)生(sheng)的(de)電(dian)荷(he)轉(zhuan)移(yi)大(da)部(bu)分(fen)都(dou)在(zai)電(dian)極(ji)活(huo)性(xing)物(wu)質(zhi)表(biao)麵(mian)進(jin)行(xing)
，所(suo)以(yi)容(rong)量(liang)隨(sui)溫(wen)度(du)衰(shuai)減(jian)非(fei)常(chang)小(xiao)。電(dian)池(chi)在(zai)低(di)溫(wen)下(xia)容(rong)量(liang)衰(shuai)減(jian)幅(fu)度(du)卻(que)可(ke)高(gao)達(da)70% 。
[page]
3 超級電容器的分類

超級電容的分類有許多不同的方式。

3.1 按采用的電極不同，超級電容可以分為以下3 種：

3.1.1 碳電極電容器：
碳電極電容器的研究曆史較長。19 62 年
，標準石油公司（SOH IO）認識到燃料電池中石墨電極表麵雙層電容的巨大利用價值，並生產出了工作電壓為6V deyitancailiaozuoweidianjidedianrongqi。dianrongqidedaxiaoheqichexudianchidedaxiaochabuduo


，keyiqudongxiaozhouzaihumianshangxingshishifenzhongzuoyou。shaohou

，zhexiangjishuzhuanranggeileribenNEC電氣公司
，該公司從19 79 年nian開kai始shi一yi直zhi生sheng產chan超chao級ji電dian容rong器qi，並bing將jiang這zhe項xiang技ji術shu應ying用yong於yu電dian動dong汽qi車che的de電dian機ji啟qi動dong係xi統tong，開kai始shi了le電dian化hua學xue電dian容rong器qi的de大da規gui模mo商shang業ye應ying用yong。與yu此ci同tong時shi
，日ri本ben鬆song下xia公gong司si設she計ji了le以yi活huo性xing炭tan為wei電dian極ji材cai料liao，以yi有you機ji溶rong液ye為wei電dian解jie質zhi的de超chao級ji電dian容rong器qi。

碳(tan)電(dian)極(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)電(dian)容(rong)大(da)小(xiao)與(yu)電(dian)極(ji)的(de)極(ji)化(hua)電(dian)位(wei)及(ji)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)積(ji)大(da)小(xiao)有(you)關(guan)，故(gu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)極(ji)化(hua)電(dian)位(wei)的(de)升(sheng)高(gao)和(he)增(zeng)大(da)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)積(ji)達(da)到(dao)提(ti)高(gao)電(dian)容(rong)量(liang)的(de)目(mu)的(de)。電(dian)極(ji)P電解質雙電層上可貯存的電量其典型值約為15~40 μF·cm - 2.選用具有高表麵積的高分散電極材料可以獲得較高的電容。

duilixiangkejihuatixieryan
，ketongguowuxiantigaochongdiandianyaerdaliangchucunnengliang。danshi
，duiyushijitixiqueshoudianjicailiaohedianjieyezuchengdedianjixitongdekejihuaxingherongjifenjiedexianzhi，ketongguojiadadianjibiaomianjilaizengjiadianrongzhi。dianrongC 可由下式給出：

式中：ε0 為自由空間的絕對介電常數，ε為電導體和內部H elmhotz 麵間區域的相對介電常數，A 為電極表麵積

，d 為導體與內H elmhotz 麵之間的距離。近年來研究主要集中在提高碳材料的表麵積和控製碳材料的孔徑及孔徑分布
，並開發出許多不同類型的碳材料，主要有： 活性碳粉
、活性炭纖維、碳氣凝膠

、碳納米管等。

3.1.2 貴金屬氧化物電極電容器：
對貴金屬氧化物電極電容器的研究
，主要采用RuO2，IrO2dengguijinshuyanghuawuzuoweidianjicailiao。youyudianjidedaodianxingbitandianjihao，dianjizailiusuanzhongwending，keyihuodegenggaodebinengliang
，zhibeidedianrongqibitandianjidianrongqijuyougenghaodexingneng，yincijuyouhenhaodefazhanqianjing。danshi
，youyuRuO2 貴金屬的資源有限
、價格昂貴限製了它的使用。以RuO2·nH 2O無定型水合物作電極，5.3mol·L-1H2SO4 作電解液所製得的電容器比電容能達到700F·g - 1;而以無定型水合物MnO2·nH2O作電極，2m ol·L- 1KCl水溶液作電解液所製得的電容器比電容也可達到200F·g - 1.但比較而言，因為在中性KCl水溶液中材料比較穩定
，不發生化學副反應
，以KCl水溶液作電解液適用於多種電極材料。以RuO2作為電極材料的研究主要集中在電極製備方法上。

3.1.3 導電聚合物電極電容器：
導dao電dian聚ju合he物wu電dian極ji電dian容rong器qi作zuo為wei一yi種zhong新xin型xing的de電dian化hua學xue電dian容rong器qi
，具ju有you高gao性xing能neng和he比bi貴gui金jin屬shu超chao級ji電dian容rong器qi更geng優you越yue的de電dian性xing能neng。可ke通tong過guo設she計ji選xuan擇ze相xiang應ying聚ju合he物wu的de結jie構gou，進jin一yi步bu提ti高gao聚ju合he物wu的de性xing能neng，從cong而er提ti高gao電dian容rong器qi的de性xing能neng。

導電聚合物電極電容器可分為3 種類型：對稱結構--電容器中兩電極為相同的可p型摻雜的導電聚合物（如聚噻吩）
；不對稱結構--兩電極為不同的可進行p型摻雜的聚合物材料（如聚吡咯和聚噻吩）
；導電聚合物可以進行p型和n 型摻雜，充電時電容器的一個電極是n型摻雜狀態而另一個電極是p 型摻雜狀態，放電後都是去摻雜狀態，這種導電聚合物電極電容器可提高電容電壓到3V
，而兩電極的聚合物分別為n 型摻雜和p 型xing摻chan雜za時shi，電dian容rong器qi在zai充chong放fang電dian時shi能neng充chong分fen利li用yong溶rong液ye中zhong的de陰yin陽yang離li子zi
，結jie果guo它ta具ju有you很hen類lei似si蓄xu電dian池chi的de放fang電dian特te征zheng

，因yin此ci被bei認ren為wei是shi最zui有you發fa展zhan前qian景jing的de電dian化hua學xue電dian容rong器qi。研yan究jiu工gong作zuo主zhu要yao集ji中zhong在zai尋xun找zhao具ju有you優you良liang摻chan雜za性xing能neng的de導dao電dian聚ju合he物wu
，提ti高gao聚ju合he物wu電dian極ji的de放fang電dian性xing能neng
、循環壽命和熱穩定等方麵。

3.2 按儲存電能的機理，超級電容器可分為以下2種：

一種是“雙電層電容器”
，其電容的產生主要基於電極P電解液上電荷分離所產生的雙電層電容，如碳電極電容器；另一種則被稱為“法拉第準電容”，youguijinshuheguijinshuyanghuawudianjidengzucheng
，qidianrongdechanshengshijiyudianhuoxinglizizaiguijinshudianjibiaomianfashengqiandianweichenji，huozaiguijinshuyanghuawudianjibiaomianjitixiangzhongfashengdeyanghuahaiyuanfanyingerchanshengdexifudianrong，gaileidianrongdechanshengjizhiyushuangdiancengdianrongbutong
，bingbansuidianhechuandiguochengdefasheng，tongchangjuyougengdadebidianrong。

3.3 根據超級電容器的結構及電極上發生反應， 又可分為以下2種：

ruguolianggedianjidezuchengxiangtongqiedianjifanyingxiangtong，fanyingfangxiangxiangfan
，zebeichengweiduichengxing。tandianjishuangdiancengdianrongqi，guijinshuyanghuawudianrongqijiweiduichengxingdianrongqi。ruguoliangdianjizuchengbutonghuofanyingbutong，zebeichengweifeiduichengxing，youkeyijinxingn型和p 型摻雜的導電聚合物作電極的電容器即為非對稱型電容器
，其性能表現形式更接近蓄電池
，表現出更高的比能量和比功率。

3.4 根據超級電容器的電解質來分
，又可分為以下2種：

超級電容器的最大可用電壓由電解質的分解電壓所決定。電解質可以是水溶液（如強酸或強堿溶液）也可是有機溶液（如鹽的質子惰性溶劑溶液）。用水溶液體係可獲得高容量及高比功率（因為水溶液電解質電阻較非水溶液電解質低，水溶液電解質電導為10- 1~10- 2S·cm - 1，而非水溶液體係電導則為10- 3~10- 4S·cm - 1）選用有機溶液體係則可獲得高電壓（因為其電解質分解電壓比水溶液的高

，有機溶液分解電壓約3.5V
，水溶液則為1.2V），從而也可獲得高的比能量。
[page]
4  超級電容的應用

超級電容器產品雖然問世不久而且相對較少
，但由於它具有特殊的優點
，在許多領域獲得應用
，其前景是十分光明的。

4.1 混合型電動車的加速或啟動電源
由Maxwell Technolog ies公司生產的Power Cache超級電容器

，已由通用汽車公司AllisONTransm ission Division組成並聯混合電源係統和串聯電源係統用在貨車和汽車上。Allison期望Maxwell超級電容有6年以上的使用壽命。跟相應的蓄電池組比起來，超級電容的儲能裝置重量隻有前者的1/3
，體積隻有前者的1/2.

ISE Resarch - Th und er Volt公司也將Parer Cach e 超級電容器用於其新開發的重型混合電力推進係統Th und er Pack.該係統是將149 個Maxwell的PC2500超級電容器裝到一個用風扇冷卻的鋁套內。每個貯能堆可以貯存或釋放150kW 的電力
，雙連體可達到300kW ，完全滿足了大型汽車或卡車加速時的需求。第一個Th und er堆交給拉斯維加斯的Nevada大學做混合動力車試驗。

將蓄電池與超級電容結合起來
，他們的優點可以互補
，成為一個極佳的貯能係統。Maxwell公司和Exid e 公司聯合開發這一組合係統，用於卡車低溫起動


、中型和重型卡車、陸上和地下的軍事用車

，它在大電流以及高低溫條件下工作，都會有很長的壽命。

4.2 優秀的貯能裝置
現(xian)有(you)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)產(chan)品(pin)

，它(ta)不(bu)僅(jin)已(yi)經(jing)用(yong)作(zuo)光(guang)電(dian)功(gong)能(neng)電(dian)子(zi)表(biao)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)貯(zhu)存(cun)器(qi)等(deng)小(xiao)型(xing)裝(zhuang)置(zhi)電(dian)源(yuan)，而(er)且(qie)還(hai)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)固(gu)定(ding)電(dian)站(zhan)。在(zai)邊(bian)遠(yuan)缺(que)電(dian)地(di)區(qu)，超(chao)級(ji)電(dian)功(gong)容(rong)器(qi)可(ke)以(yi)和(he)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)或(huo)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)組(zu)成(cheng)混(hun)合(he)電(dian)源(yuan)，使(shi)無(wu)風(feng)或(huo)夜(ye)間(jian)也(ye)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)電(dian)源(yuan)。衛(wei)星(xing)上(shang)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)源(yuan)多(duo)是(shi)由(you)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)與(yu)鎘(ge)鎳(nie)電(dian)池(chi)組(zu)成(cheng)的(de)混(hun)合(he)電(dian)源(yuan)
，一(yi)旦(dan)裝(zhuang)上(shang)了(le)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)
，那(na)麼(me)衛(wei)星(xing)的(de)脈(mai)衝(chong)通(tong)訊(xun)能(neng)力(li)一(yi)定(ding)會(hui)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)。此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)它(ta)具(ju)有(you)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)的(de)特(te)性(xing)，那(na)麼(me)相(xiang)對(dui)於(yu)電(dian)動(dong)玩(wan)具(ju)這(zhe)種(zhong)需(xu)要(yao)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)的(de)設(she)備(bei)來(lai)說(shuo)，無(wu)疑(yi)是(shi)一(yi)個(ge)理(li)想(xiang)電(dian)源(yuan)。

4.3 USP係統和應急電源
當今的USP係(xi)統(tong)大(da)多(duo)使(shi)用(yong)鉛(qian)蓄(xu)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)電(dian)能(neng)存(cun)儲(chu)裝(zhuang)置(zhi)。由(you)於(yu)它(ta)的(de)充(chong)電(dian)接(jie)受(shou)能(neng)力(li)遠(yuan)不(bu)如(ru)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)，在(zai)頻(pin)繁(fan)停(ting)電(dian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)使(shi)用(yong)時(shi)，就(jiu)會(hui)因(yin)為(wei)長(chang)期(qi)充(chong)電(dian)不(bu)足(zu)而(er)使(shi)電(dian)池(chi)硫(liu)酸(suan)鹽(yan)化(hua)，從(cong)而(er)縮(suo)短(duan)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。

超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)可(ke)以(yi)在(zai)數(shu)分(fen)鍾(zhong)之(zhi)內(nei)充(chong)足(zu)電(dian)，就(jiu)完(wan)全(quan)不(bu)會(hui)受(shou)頻(pin)繁(fan)停(ting)電(dian)的(de)影(ying)響(xiang)。此(ci)外(wai)，在(zai)某(mou)些(xie)特(te)殊(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)

，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)輸(shu)出(chu)特(te)性(xing)，會(hui)使(shi)它(ta)成(cheng)為(wei)良(liang)好(hao)的(de)應(ying)急(ji)電(dian)源(yuan)。例(li)如(ru)在(zai)煉(lian)鋼(gang)廠(chang)的(de)高(gao)爐(lu)冷(leng)卻(que)水(shui)是(shi)不(bu)允(yun)許(xu)中(zhong)斷(duan)的(de)
，都(dou)備(bei)有(you)應(ying)急(ji)水(shui)泵(beng)電(dian)源(yuan)。一(yi)旦(dan)停(ting)電(dian)，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)可(ke)以(yi)立(li)即(ji)提(ti)供(gong)很(hen)高(gao)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)啟(qi)動(dong)柴(chai)油(you)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)
，向(xiang)高(gao)爐(lu)和(he)水(shui)泵(beng)供(gong)電(dian)
，確(que)保(bao)高(gao)爐(lu)安(an)全(quan)生(sheng)產(chan)。

4.4 軍事領域大有作為

美國軍方對超級電容器用於重型卡車、裝甲運兵車及坦克很感興趣。Maxwell公司正在向Osh kosh 汽車公司提供的PowerCach e 超級電容器，為美國軍方製造H EMTT LMS概念車。所用的動力就是該公司生產的Pro Pulse混合電力推進係統。

激光探測器或激光武器需要大功率脈衝電源

；若ruo為wei移yi動dong式shi的de，就jiu必bi須xu有you大da功gong率lv的de發fa電dian機ji組zu或huo大da容rong量liang的de蓄xu電dian池chi
，而er其qi重zhong量liang和he體ti積ji會hui使shi激ji光guang武wu器qi的de機ji動dong性xing大da大da降jiang低di。超chao級ji電dian容rong器qi可ke以yi高gao功gong率lv輸shu出chu並bing可ke在zai很hen短duan時shi間jian內nei充chong足zu電dian，顯xian然ran是shi一yi個ge極ji佳jia的de電dian源yuan。

用超級電容器對氫能燃料電池進行補償是其在軍事領域一個很重要的應用。

PEMFC 發電技術以其高效、清潔、重量輕
、體積小
、工作溫度低等優點，在人防指揮工程中有著極其廣闊的應用前景。但是無論采取哪種供電方式，都必須將PEMFC發電機發出的不穩定直流電變換為穩定的直流電，才能供給負載或逆變器使用。而PEMFC發電機的動態特性在發生負載突增時表現出明顯的電壓瞬時跌落
，使後續的DC/DC和DC/AC發生保護而無法正常工作。采用超級電容器對PEMFC發電機的動態特性進行補償，可以去掉突增負載時的電壓跌落尖峰
，改善發電機的動態輸出性能，為後續的直流負載和DC/AC提供穩定的直流電壓。