超级电容电池.docx

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超级电容电池

超级电容电池

超级电容电池又叫黄金电容、法拉电容，它通过极化电解质来储能，属于双电层电容的一种。

由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容一般使用活性碳电极材料，具有吸附面积大，静电储存多的特点，在新能源汽车中有广泛使用。

目录

1.1 概念

2.2 工作原理

3.3 特点

4.4 注意事项

5.5 市场前

概念

超级电容器电池又叫双电层电容器（ElectricalDouble-LayerCapacitor）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。

超级电容器用途广泛。

用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。

此外还可用于其他机电设备的储能能源。

超级电容器由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。

已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发，取得了一定的成效。

但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。

而超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。

正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。

其中美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产上走在前面，而且还建立了专门的国家管理机构（如：

美国的USABC、日本的SUN、俄罗斯的REVA等），制定国家发展计划，由国家投入巨资和人力，积极推进。

就超级电容器技术水平而言，目前俄罗斯走在世界前面，其产品已经进行商业化生产和应用，并被第17届国际电动车年会（EVS—17）评为最先进产品，日本、德国、法国、英国、澳大利亚等国家也在急起直追，目前各国推广应用超级电容器的领域已相当广泛。

在我国推广使用超级电容器，能够减少石油消耗，减轻对石油进口的依赖，有利于国家石油安全；有效地解决城市尾气污染和铅酸电池污染问题；有利于解决战车的低温启动问题。

目前，国内主要有10余家企业在进行超级电容器的研发。

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10E6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。

工作原理

超级电容的容量比通常的电容器大得多。

由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也称作“电容电池”或说“黄金电池”。

超级电容器电池也属于双电层电容器，它是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

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=εA/3.6πd10¯⁶（μF）其中A为极板面积,d为介质厚度。

所储存的能量为：

E=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，但这个伸缩空间有限，导致它的储电量和储能量较小。

超级电容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≥1200m/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，从而使单位重量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平，碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。

从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能，且在实际使用时，可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。

特点

（1）充电速度快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上；而现在使用面积最大的铅酸电池充电通常需要几个小时。

（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达50万次，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。

如果相应地和铅酸电池比较,它的使用寿命可达68年,且没有“记忆效应”。

（3）大电流放电能力超强，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300Wh/kg~5000Wh/kg，相当于普通电池的数十倍；比能量大大提高，铅酸电池一般只能达到200Wh/kg，而超级电容电池目前研发已可达10KWh/kg，

（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）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；

（7）超低温特性好，使用环境温度范围宽达-40℃～+70℃；

（8）检测方便，剩余电量可直接读出；

（9）单体容量范围通常0.1F-3400F。

注意事项

1、超级电容器具有固定的极性。

在使用前，应确认极性。

2、超级电容器应在标称电压下使用：

当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。

3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。

4、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。

5、在焊接过程中避免使电容器过热：

若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的使用寿命，例如：

如果使用厚度为1.6mm的印刷线路板，焊接过程应为260℃，时间不超过5s。

6、将电容器串联使用时：

当超级电容器进行串联使用时，存在单体间的电压均衡问题，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响。

另外，超级电容器在变配电站直流系统中、税控机、税控收款机上、摇晃式手电筒上（免换电池，只要摇晃30秒钟，即可发光5分钟；照射距离1公尺）、智能表类（如智能水表和煤气表）上、计算机UPS电源方面亦多有应用。

市场前景

超级电容器产品虽然问世不久，但由于它具有特殊的优点，已在许多领域中获得了应用，其前景可以认为是非常广阔。

根据总部位于北京的新兴产业调研机构力勤资讯最新的研究结果《中国超级电容器行业发展及投资分析报告2009-2010版（含2009-2013年预测）--动力电源系列报告》，国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，然而，能够批量生产并达到实用化水平的厂家不到20家。

国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州凯美能源（原锦州富辰、锦州锦容）、北京集星电子、上海奥威等十多家。

锦州凯美能源是国内最大的超级电容器专业生产厂，主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。

北京集星可生产卷绕型和大型电容器，而上海奥威产品多集中在车用超级电容器上。

从各厂商的产品来看，核心企业间的竞争并不直接，因为没有完全重复的，竞争也只是局限于一个领域范围内的。

预计2009-2010年各企业之间仍将有良好的合作，市场格局不会发生大的变化。

集星、凯美、奥维等几家企业仍将占据国内市场绝大的份额，细分市场上各企业的竞争优势将更加明显。

总得来说，市场竞争不会太激烈。

基于中国消费电子近年来的惊人增长表现，预计今后几年内，我国纽扣型超级电容器有望保持30%以上的平均增长率，卷绕型和大型超级电容器则有可能保持50%以上的平均增长率。

到2013年，我国超级电容器的整体产业规模有望达到79亿元。

超级电容电池的蓄电量尚不能满足需要，而且放电电流比较难控制，不能在纯电力系统的车辆上使用。

Flexibleandplanargrapheneconductiveadditivesforlithium-ionbatteries

Fang-YuanSu,†aConghuiYou,†aYan-BingHe,abWeiLv,aWeiCui,aFengminJin,aBaohuaLi,b

Quan-HongYang*abandFeiyuKang

石墨烯是引入一种锂离子电池（自由）作为小说但强大的平面导电添加剂和柔性石墨烯导电网络的特点是一部小说“plane-to-point”进行模式具有特殊的电子传递特性和独特的几何性质（软和超薄平面结构）。

石墨烯的分数要低得多基础添加剂，添加剂比商业碳graphene-introduced磷酸铁锂阴极显示比商业情况下更好的充电/放电性能。

石墨烯还显示一个更好的性能与碳纳米管相比，另一种类型的小说导电添加剂具有类似分数。

这些结果现在我们表明石墨烯可能会发现早期的应用程序灵活平面导电添加剂高性能库，表明随着我们进一步努力的graphene-introduced电池更好的性能比真正的商业电池与传统添加剂。

介绍

近年来，可充电锂离子电池（自由）著名的技术在全球电池市场，是广泛的认为是最可能的候选人之一为电动汽车电源。

由于其高氧化还原电位，大理论能力，出色的稳定性,低成本和环境仁慈，已作为一个商业应用磷酸铁锂重要的正极材料，尤其是在的情况下电动汽车。

为磷酸铁锂的重大限制积极的材料电子电导率（大约是可怜的109年代cm1）的性能产生负面影响由此产生的自由，尤其是4的高效的电池，因为锂离子插入/萃取反应本质上是受电极的电子导电率的影响。

为了提高电导率，阿曼德等人首先尝试外套电子导电层LiFePO4。

自那时以来，许多人一直努力控制薄导电涂料碳层。

各种sp2碳材料，12日至16日炭黑、导电石墨、乙烯黑色和最近碳纳米管曾向阴极系统导电添加剂。

在这种情况下，超过临界质量一部分这些添加剂，相邻的碳粒子彼此接近保证电接触，通过电子隧穿或直接接触形成导电材料是嵌入式网络的积极活跃。

如今，这些导电碳添加剂的质量分数的阴极系统是相对较高的。

例如：

磷酸铁锂wt%的情况下，甚至高达6-10wt%的情况下高效的电池，3、14、17大幅减少能量密度，诱发一些电化学反应并增加了成本。

因此，更有效的添加剂需要一个小得多的质量分数在未来库，特别是对于高效的情况下，他们必须更有效进行网络保证快速锂离子插入/提取和电子转移。

两个点应考虑结构优化的碳基添加剂并进一步组装形成一个有效的导电网络。

一个是导电性，这意味着石墨表构成碳添加剂应该没有缺陷或较低缺陷浓度和另一个点应该低表观密度，这意味着碳层接触活跃材料尽可能有效。

换句话说,取得足够的电导率在阴极系统，所需数量的导电添加剂通常较低，低的表观密度（体积）特定的添加剂和电导率越高。

一些努力对这个目的和多壁碳纳米管（MWCNT）已被证明是一个非常有前途的替代传统的碳基添加剂。

他们的特点是有一个较小的数量和更好的性能,因为纤维形态和高接触efficiency。

在同质色散高成本和困难发挥他们的大规模应用的障碍。

继续工作正在进行中，以传统添加剂和优化寻求新奇的满足大功率的电池需求正在呈快速上升趋势。

在石墨烯的研究最近进展nanosheets（GN）引发了一场淘金热为利用其可能的应用程序各领域。

像其他家族成员sp2碳，石墨烯自2004年发现以来，它被认为是sp2碳的基本单位，已作为一个调查在充电LIBs和超级电容器电极材料进行了广泛的研究。

在石墨烯-电极材料有更多的关注在混合纳米结构的引入，结合高石墨烯的电子传递性能和高电化学容量的金属氧化物，如二氧化钛和SnO2。