超级电容器的发展与应用.docx
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超级电容器的发展与应用
常州信息职业技术学院
学生毕业设计（论文）报告
系别：
电子与电气工程学院
专业：
电子信息工程技术
班号：
学生姓名：
学生学号：
设计（论文）题目：
超级电容器的发展与应用
指导教师：
设计地点：
常州信息职业技术学院
起迄日期：
20.7.1—20.8.20
毕业设计（论文）任务书
专业电子信息工程技术班级姓名
一、课题名称：
超级电容器的发展与应用
二、主要技术指标：
额定容量、额定电压、额定电流、最大存储能量、能量密度、
功率密度、使用寿命、循环寿命、等效串联电阻、漏电流等技术指标
三、工作内容和要求：
本文先从普通电容器入手，进而引出超级电容器的产生。
从而
以此为基础，阐释了超级电容器的构造、定义、以及工作原理。
接着从超级电容器的性能
技术介绍其使用特点和注意事项，然后又介绍了超级电容器的发展与现状以及其在生产生活
中的应用。
最后还进行其以后发展的广阔前景。
四、主要参考文献：
[1]夏熙、刘洪涛，一种正在发展的储能装置—超电容器
（2）[J]电
池工业，2004，9（4）：
181-188；
[2]钟海云，李荐，戴艳阳，等，新型能源器件—超级电容器研究发展最新动态[J]电源技
术，2004，25（5）：
367-370；
[3]薛洪发，超大容器器在铁路运输生产中的应用[J]中国铁路2000（5）：
52.。
学生（签名）20年6月26日
指导教师（签名）20年6月26日
教研室主任（签名）20年6月27日
系主任（签名）20年6月28日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
一、选题的背景和意义：
超级电容器发展始于20世纪60年代，起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。
但到了20世纪90年代，由于混合电动汽车的兴起，超级电容器才受到广泛的关注并迅速发展起来。
现今，大功率的超级电容器被视为一种大功率物理二次电源，各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。
目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注。
此外，超级电容器还活跃在电动汽车、消费类电子电源、军事、工业等高峰值功率场合。
二、课题研究的主要内容：
主要介绍了超级电容器的构造、定义以及其工作原理，还阐释了超级电容器的特点和使用注意事项，以及超级电容器的发展与现状。
最后介绍了超级电容器在生产生活中的应用。
三、主要研究（设计）方法论述：
通过查阅书籍了解超级电容器的基本概念等信息，结合以前所学的电子专业知识认真研究课题。
借助强大的网络功能，借鉴前人的研究成果更好的帮助自己更好地理解所需掌握的内容。
通过与老师与同学的讨论研究，及时地发现问题反复地检查修改最终完成
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止日期）
工作内容
20-7-1～20-7-5
寻找资料，制定题目
20-7-6～20-7-15
通过书籍和网络查找资料
20-7-16～20-8-3
整理资料，并写成初稿，上交初稿
20-8-4～20-7-17
对论文进行相应的修改，完成论文
20-8-19～20-8-20
打印论文
五、指导教师意见：
指导教师签名：
20年7月3日
六、系部意见：
系主任签名：
20年7月4日
【摘要】：
作为一种介于传统电容器及电池之间的新型储能元件，超级电容器具有超大容量、高功率密度、长循环寿命、充放电效率高等特点，引起了世界广泛关注，综述了超级电容器的原理、分类及特点，介绍了超级电容器的主要应用领域和发展趋势。
【关键词】：
超级电容器；双电层电容器；点化学电容器；原理；应用
第一章超级电容器与电容器的关系
1．1电容器相关常识……………………………………………………………………5
1．2超级电容器相关常识…………………………………………………………………8
1.3超级电容器与传统电容器的关系……………………………………………………8
1．4超级电容器与电池的比较……………………………………………………………9
第二章超级电容器的工作原理
2.1双层电容器……………………………………………………………………………9
2.2电化学电容器…………………………………………………………………………9
2.3混合型电容器…………………………………………………………………………10
2.4工作原理………………………………………………………………………………10
第三章超级电容器的技术指标及使用注意事项
3.1超级电容器的技术指标………………………………………………………………10
3.2超级电容器使用的注意事项…………………………………………………………11
第四章超级电容器的历史发展状况与应用
4.1超级电容器的历史发展………………………………………………………………12
4.2我国超级电容器的发展概况…………………………………………………………12
4.3超级电容器的应用……………………………………………………………………12
第五章结束语……………………………………………………………………………14
第六章答谢词……………………………………………………………………………15
参考文献……………………………………………………………………………15
超级电容器的发展与应用
摘要：
作为一种介于传统电容器及电池之间的新型储能元件，超级电容器具有超大容量、高功率密度、长循环寿命、充放电效率高等特点，引起了世界广泛关注，综述了超级电容器的原理、分类及特点，介绍了超级电容器的主要应用领域和发展趋势。
关键词：
超级电容器；双电层电容器；电化学电容器；原理；应用
DevelopmentandApplicationofSuperCondenser
Abstract:
Asanewkindenergystoragedevice,supercapacitorshavecharacteristicsofhighpowerdensity,extremelylargecapacitance,longcyclelifeandhighcharg-dischargeefficiency.Forthisreason,worldwideattentionwasattracted.Thefundamentalprinciples,classificationandcharacteristicsofsupercapacitorswerereviewed,andtheirmainapplicationareasanddevelopmenttrendwereintroduced..
Keywords:
supercapacitors;electricaldoule-Layercapacitor;electrochemcialcapacitor;principles;applications
0．引言
超级电容器是20世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能元件，比同体积的电解电容器容量大2000～6000倍，功率密度比电池高10～100倍，可以放大电流充放电，充放电效率高，充放电循环次数可达100000次以上，并且免维护。
超级电容器的出现填补了传统的静电电容器和化学电源之间的空白，并以其优越的性能及广阔的应用前景受到了各个国家的重视。
2007年1月号的美国《探索》杂志，将超级电容器列为2006年世界7大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池。
1．超级电容器与电容器的关系
1．1电容器相关常识
（1）电容器的定义：
电容器通常简称其为电容，用字母C表示。
定义1：
电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。
英文名称：
capacitor。
电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制电路等方面。
定义2：
电容器，任何两个彼此绝缘的导体（包括导线）间都构成一个电容器。
（2）电容器在电路中的作用：
在直流电路中，电容器是相当于断路的。
这得从电容的结构上说起。
最简单的电容是由两端的极板和中间的绝缘电介]构成的。
通电后，极板带电，形成电压（电势差），但是中间由于是绝缘的物质，所以是不导电的。
不过，这样的情况是在没有超过电容器的临界电压（击穿电压）的前提条件下的。
我们知道，任何物质都是相对绝缘的，当物质两端的电压加大到一定程度后，物质是都可以导电的，我们称这个电压叫击穿电压。
电容也不例外，电容被击穿后，就不是绝缘体体了。
不过在中学阶段，这样的电压在电路中是见不到的，所以都是在击穿电压以下工作的，可以被当做绝缘体看。
但是，在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。
而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。
实际上，电流是通过场的形式在电容器间通过的。
在中学阶段，有句话，就叫通交流，阻直流，说的就是电容的这个性质。
（3）电容器的基本功能——充电和放电
充电和放电是电容器的基本功能。
充电
使电容器带电（储存电荷和电能）的过程称为充电。
这时电容器的两个极板总是一个极板带正电，另一个极板带等量的负电。
把电容器的一个极板接电源（如电池组）的正极，另一个极板接电源的负极，两个极板就分别带上了等量的异种电荷。
充电后电容器的两极板之间就有了电场，充电过程把从电源获得的电能储存在电容器中。
放电
使充电后的电容器失去电荷（释放电荷和电能）的过程称为放电。
例如，用一根导线把电容器的两极接通，两极上的电荷互相中和，电容器就会放出电荷和电能。
放电后电容器的两极板之间的电场消失，电能转化为其它形式的能。
在一般的电子电路中，常用电容器来实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移以及波形变换等，这些作用都是其充电和放电功能的演变。
（4）电容器主要特性参数
1、标称电容量和允许偏差
标称电容量是标志在电容器上的电容量。
电容器的基本单位是法拉（F），但是，这个单位太大，在实地标注中很少采用。
其它单位关系如下：
1F=1000mF
1mF=1000μF
1μF=1000nF
1nF=1000pF
电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。
精度等级与允许误差对应关系：
00（01）-±1%、0（02）-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、Ⅳ-（+20%-10%）、Ⅴ-（+50%-20%）、Ⅵ-（+50%-30%）
一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级，根据用途选取。
2、额定电压
在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。
3、绝缘电阻
直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻.
当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量〉0.1uf时，主要取决于介质的性能，绝缘电阻越小越好。
电容的时间常数：
为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，他等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。
4、损耗
电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。
各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。
在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。
5、频率特性
随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。
6,常用公式
平行板电容器公式中C=εS/4πkd
（5）电容器的型号命名与标示
1.电容器的型号命名方法
国产电容器的型号一般由四部分组成（不适用于压敏、可变、真空电容器）。
依次分别代表名称、材料、分类和序号。
第一部分：
名称，用字母表示，电容器用C。
第二部分：
材料，用字母表示。
第三部分：
分类，一般用数字表示，个别用字母表示。
第四部分：
序号，用数字表示。
用字母表示产品的材料：
A-钽电解、B-聚苯乙烯等非极性薄膜、C-高频陶瓷、D-铝电解、E-其它材料电解、G-合金电解、H-复合介质、I-玻璃釉、J-金属化纸、L-涤纶等极性有机薄膜、N-铌电解、O-玻璃膜、Q-漆膜、T-低频陶瓷、V-云母纸、Y-云母、Z-纸介
2.电容器容量标示
1、直标法
用数字和单位符号直接标出。
如1uF表示1微法，有些电容用“R”表示小数点，如R56表示0.56微法。
2、文字符号法
用数字和文字符号有规律的组合来表示容量。
如p10表示0.1pF,1p0表示1pF,6P8表示6.8pF,2u2表示2.2uF.
3、色标法
用色环或色点表示电容器的主要参数。
电容器的色标法与电阻相同。
电容器偏差标志符号：
+100%-0--H、+100%-10%--R、+50%-10%--T、+30%-10%--Q、+50%-20%--S、+80%-20%--Z
4、数学计数法：
如上图瓷介电容，标值272，容量就是：
27X100pf=2700pf.如果标值473，即为47X1000pf=0.047uf。
（后面的2、3，都表示10的多少次方）。
又如：
332=33X100pf=3300pf。
1．2超级电容器相关常识
（1）超级电容器：
又叫双电层电容器（ElectricalDoule-LayerCapacitor）、电化学电容器（ElectrochemcialCapacitor,EC）,黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。
它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
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1000000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。
（2）超级电容器的优缺点
优点:
在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题；
缺点：
如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路；
1．3超级电容器与传统电容器的关系
超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。
传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。
传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。
超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。
超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。
该距离（<10Å）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。
这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。
1．4超级电容器与电池的比较
超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。
有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。
超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。
而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。
超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。
超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。
在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。
超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。
超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。
超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环。
2．超级电容器的工作原理
一般认为超级电容器包括双层电容器和电化学电容器两大类。
2．1双电层电容器
早在1897年德国人Helmholtz就提出了基于超级电容器的双电层理论。
当金属插入电解液中时，金属表面上的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分布的带异种电荷的离子，使它们在电极溶液界面的溶液一侧离电极一定距离处排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符合相反的界面层。
该界面由两个电荷层组成。
由于界面上存在一个位垒，因而两层电荷都不能越过边界而中和，按照电容器原理二形成一平板电容器。
由于其距离非常小，一般在0.5mm以下，加之采用特殊电极材料后使其表面积成万倍地增加，从而产生了极大地电容量。
2．2电化学电容器
电化学电容器按电极材料的不同可分为金属氧化物电化学电容器和导电性高分子聚合物电化学电容器，即法拉第准电容。
对于电化学电容器，其存储电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应导致的电荷在电极中的储存。
与双层电容器的静电容量相比，相同表面积下的电化学电容器的容量要大10～100倍。
2．3混合型超级电容器
超级电容器也可以再两极分别采用不同的电极材料，如一极是形成双电层电容的碳材料，另一极是利用法拉第准电容储能的金融氧化物电极。
在电压保持不变或略有提升的基础上，利用金属氧化物超级电容器的超大比能量与双电荷层超级电容器的有效配比，获得了比双电荷层超级电容器高4倍的比能量。
此类电容器在工作时，既有双电层电容的贡献，又包含准电容的作用，因而其比能量较单纯的双电层电容器大大提高，同时可以具备交稿的比功率和循环寿命。
根据使用条件的不同，充放电次数可达1～20万次，甚至大到50万次。
2．4超级电容器工作原理
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。
3．超级电容器的技术指标以及使用注意事项
3．1超级电容器技术指标
目前，对超级电容器性能描述的指标有：
（1）额定容量。
指按规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额定电压后保持2～3min，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，单位为法拉，F。
（2）额定电压。
即可以使用的最高安全端电压。
此外还有浪涌电压，通常为额定电压的105%；击穿电压，其值远高于额定电压的1.5～3倍，单位为伏特（V）。
（3）额定电流。
指5s内放电到额定电压一半的电流，单位为安培（A）。
（4）最大存储能量。
指额定电压下放电到零所释放的能量，单位为焦耳（J）或者是瓦时（Wh）。
（5）能量密度，也称比能量。
指单位质量或单位体积的电容器所给出的能量，单位为Wh/kg或Wh/L。
（6）功率密度，也称为比功率。
指单位质量或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热效应各半时的放电功率。
它表征超级电容器所能承受电流的能力，单位为Kw/Kg或kw/L。
（7）等效串联电阻（ESR）。
其值与超级电容器电解液和电极材料、制备工艺等因素有关。
通常交流ESR比直流ESR小，且随温度上升而减少。
单位为欧姆（）
（8）漏电流。
指超级电容器保持静态储能状态时，内部等效并联阻抗导致的静态损耗，通常为加额定电压72h后测得的电流，单位安培（A）。
（9）使用寿命。
是指超级电容器的电容量低于额定容量的20%或ESR增大到额定值的1.5倍时的时间长度。
因为此时可判断为其寿命终了。
（10）循环寿命。
超级电容器经历1次充电和放电，称为1次循环或叫1个周期。
超级电容器的循环寿命长，可达10万次以上。
3．2超级电容器使用注意事项
（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）超级电容器的寿命：
外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。
电容器应尽量远离热源。
（5）当超级电容器被用做后备电源时的电压降：
由于超级电容器具有内阻较大的特点，在放电的瞬间存在电压降，ΔV=IR。
（6）使用中环境气体：
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