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超级电容器综述

电子技术查新训练

文献综述报告

题目超级电容器技术综述

学号3130434055

班级微电 132

学生赵思哲

指导教师杨莺

2014年

超级电容器技术综述

摘 要：

近年来，随着经济的迅猛发展，人们在实际应用中对储能装置各项技术指标的

需求不断提高，而当前电池的标准设计能力已经逐渐无法满足人们的要求，超级电容

器应运而生。

超级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。

作为一种新的储能元件 ,它填补了传统电容

器和电池之间的空白 ,能提供比普通电容器更高的能量和比二次电池更高的功率以及更

长的循环寿命 ,同时还具有比二次电池耐温和免维护的优点。

本文主要针对超级电容器

的储能机理、超级电容器电极材料、超级电容器的发展动态以及未来应用的展望进行

了简单的论述。

关键词：

超级电容器；储能机理；活性炭；发展现状；应用展望。

A Review of the technology of super capacitor

Abstract：

In recent years，With the rapid development of economy，People advance the need that can

equip each technique index sign to continuously raise at practical application。

But the standard design

ability of the current battery have already canned not satisfy people's request gradually，The super

capacitor emerges with the tide of the times。

The super capacitor is a kind of new energy storing device,

it has many characteristics such as short refresh time, long service life, good temperature characteristic,

energy conservation,Environment protecting.As a new kind energy storage element, it filled up

traditional capacitor and the blank of battery.It can provide energy than the common capacitor higher

and the power than secondary battery higher and the longer circulating life.Meanwhile it has the

advantage of rating of temperature and no maintenance than secondary battery.The text mainly aims at

the keeping of super capacitor development dynamic state of ability mechanism, super capacitor

electrode material, super capacitor and in the future apply of the outlook carried on simple treatise.

Key Words：

super capacitor; The energy storage mechanism; active carbon; development trend;

Application trend .

2

引言

近几年出现的超级电容器，它兼有物理电容和电池的特性，是人们未来探索的确定

方向。

超级电容器是比物理电容器更好的 储能元件。

目前，用于超级电容器的电极材

料主要是炭材料，由于一些炭材料比如氧化锰低价高能，所以受到很多科学家的青睐。

超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。

超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、消费性电子产品等众

多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。

就目前的国际形势

来看，超级电容器有着很大的应用前景。

1 超级电容器概述

1.1 超级电容器的定义及特点

超级电容器是一种介于普通电容器和化学电池之间的储能器件 ,兼具两者的优点 ,

如功率密度高、能量密度高、循环寿命长、可快速充放电 ,并具有瞬时大电流放电和

对环境无污染等特性 .它涉及材料、能源、化学、电子器件等多个学科 ,成为交叉学科

研究的热点之一 . 作为一种绿色环保、性能优异的新型 储能器件, 超级电容器在众

多的领域有广泛的应用 ,包括国防、军工 ,以及电动汽车、电脑、移动通信等民用领域 ,因

而受到了世界各国 , 尤其是发达国家的高度重视。

 [1]

表 1 为各钟元件储能性能：

 [2]

表 1各储能系统的性能比较

1.2 超级电容器的历史发展

3

双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的 . 1879 年 Hemlholz 发现了电化学

界面的双电层电容性质 ; 1957 年, Becker 申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材

料的电化学电容器方面的专利 ;1962 年标准石油公司生产了一种 6V 的以活性碳 （AC）

作为电极材料 , 以硫酸水溶液作为电解质的超级电容器 .1979 年 NEC 公司开始生产超

级电容器,开始了电化学电容器的大规商业应用 ;在超级电容器的产业化上 ,最早 1980

年 NEC /Tokin 与 1987 年松下三菱的产品 . 到 20 世纪 90 年代, Econd 和 EL IT 推

出了适合于大功 率启动动力场合的电化学电容器 . 如今,

Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、Powerstor、Evans,SAFT, NESS 等公司在超级电

容器方面的研究均非常活跃 .[3]

目前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，各个国家的超

级电容量器产品在功率、容量、价格等方面都自己的特点和优势 .与国外相比 , 我国

超级电容器的研究起步晚 , 目前国内研制超级电容器企业有天津力神公司、上海奥威

科技开发有限公司、北京集星联合电子科技有限公司等 .国内研发和生产的超级电容

器主要用于民用 , 如各种 动交通工具的辅助电源、 UPS 系统、电磁开关 . 天津力神公

司与美国 Maxwell 公司合作 , 产品性能达到国内领先 ; 上海奥威科技开发有限公司以

开 发超级电容器电动汽车为研发目标 , 并将上海 11 路公共汽车定为超级电容电动车

的示范线, 开始了商业化运营 , 北京集星联合电子产品主要以卷绕型活性炭纤维布作

电极, 生产高电压和高容量的有机超级电容器 .[4] 这一产品不断地得到市场的认知 ,

市场的拓展也在成几何倍数增长。

2.超级电容器的电极材料

2.1 超级电容器的电极材料

电极材料是超级电容器的关键，它决定着超级电容器的主要性能指标 .[5]科学家

们对各种具有特定属性的材料已进行了研究，探讨超级电容器的潜力和适用性先进的

超级电容器具有高容量的性能，如碳基材料、过渡金属氧化物和导电聚合物。

 [6]

2.1.1 炭材料

多孔炭材料比电容高，循环寿命长，且资源丰富、结构多样、成本适中，是超级电容

器领域最为活跃的研究方向 .如表 2。

表 2各种炭材料和期前驱的关系 [10]

4

a 活性炭（ AC）

通过不同工艺炭化、 活化制备的 AC 有很高的比表面积（ 1000～3000 m2/g），

高的孔隙率，生产工艺简单且价格低廉，一直受到人们的青睐，是目前已经商品化的

电极材料之一。

b 活性炭纤维（ ACF）

活性炭纤维（ ACF）是性能优于活性炭的高效活 性吸附材料和环保工程材料，高

比表面积的活性炭 纤维布是已商品化的电极材料之一。

 ACF 的制备一 般是将有机前

驱体纤维在低温（ 200～400 ℃）下进行 稳定化处理， 随后进行炭化活化

（700～1000 ℃）。

 ACF 具有比表面积高、孔径分布窄、导电性好及比 电容高的特

点。

如图 1.

（a）（b）

图 1ACF 的 N2 吸脱附等温线（ a）和孔径分布曲线 （b）[5]

C 碳纳米管（ CNTs）

碳纳米管（ CNTs）由于具有化学稳定性好、比表面积大、导电性好和密度小等优

点，是很有前景的超级电容器电极材料。

d 炭气凝胶（ CAGs）

5

炭气凝胶（ CAGs）是唯一具有导电性的气凝胶 ,具有导电性好、比表面积大、密

度变化范围广等特 点，且轻质、多孔、非晶态、块体纳米炭材料，其连续的三维网

络结构可在纳米尺度控制和剪裁。

它的孔隙率高达 80%～98％，典型的孔隙尺寸小于

50 nm，网络胶体颗粒直径 3～20 nm，比表面积高达 600～ 1100 m2/g，是制备双电

层电容器理想的电极材料 [8]

2.1.2 过渡金属氧化物

金属氧化物电极在超级电容器中产生的法拉第 准电容 （赝电容 ）比碳材料电极

表面的双电层电容要大很多。

法拉第准电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空

间上, 电活性物质进行欠电位沉积 , 发生高度可逆的化学吸脱附或氧化还原反应。

因为在金属氧化物电极上发生快速可逆的电极 反应, 而且该电极反应能深入到电极

内部, 因此能量 存储于三维空间中 , 提高了能量密度。

 [9]

举例：

以 RuO2 为电极, 以硫酸为电解液 , 其电化学过程可表示如公式 1.[7]

2.1.3 导电聚合物电极材料

以导电聚合物作为超级电容器的电极材料 , 主要是利用其掺杂去掺杂电荷的能力。

其贮能机理是 :

通过电极上聚合物中发生快速可逆的 n 型、p 型元素掺杂和去掺杂氧化

还原反应, 使聚合物达到很 高的贮存电荷密度 , 从而产生很高的法拉第准电容。

 [10]

2.2 超级电容器的电极材料展望

超级电容器是继锂离子电池之后又一极具广泛应用潜力的新型储能器件，具有广

阔的应用前景和巨大的经济价值。

电极材料是制约超级电容器发展的关键因素之一。

对当前单一电极材料存在诸如多孔炭材料能量密度及功率密度低、贵金属氧化物价格

高、导电聚合物稳定性差等不足之处，大力开发复合电极材料（如多孔炭／金属氧化

物复合材料、多孔炭／导电聚合物复合材料等）已成为超级电容器电极材料领域的研

究重点。

复合电极材料的研发不仅能够实现材料性能和成本的合理平衡，而且有利于

改善超级电容器的综合性能，加快其工业化应用进程。

 [11]

3.超级电容器的储能机理

6

如今，超级电容器储存的能量在运输系统中被使用。

比如在中地铁网络系统，列车的

加速和刹车需要使用多的能量。

使用超级电容器就是来存储制动能量的一种方法 .[12]

3.1 超级电容器的储能机理

根据存储电能的机理不同，超级电容器可分为双 电层电容器（ Electric double

layer capacitor, EDLC）和 赝电容器 （Pesudocapacitor）。

3.1.1 双电层电容器机理

双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面 双层来存储能量的新型元器件，

当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间力的作用，使固液界面出

现稳定的、符号相反的双层电荷，称为界面双层。

 双电层电容器使用的电极材料多

为多孔碳材料，有活性炭（活性炭粉末、活性炭纤维）、碳气凝胶、碳纳米管。

双电

层电容器的容量大小与电极材料的孔 隙率有关。

通常，孔隙率越高，电极材料的比表

面积 越大，双电层电容也越大。

但不是孔隙率越高，电容器的容量越大。

保持电极材

料孔径大小在 2～50 nm 之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积，从而提高双

电层电容。

如图 2。

图 2 双电层电容器机理

3.1.2 赝电容器机理

7

赝电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面 或体相的二维或准二维空间上，

电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附 /脱附或氧化 /还原反应，产生

与电极充电电位有关的电容。

由于反应在 整个体相中进行，因而这种体系可实现的大

电容值 比较大，如吸附型准电容为 2 000×10–6 F/cm2。

对氧化还原型电容器而言，

可实现的大容量值则非常大， 而碳材料的比容通常被认为是 20×10–6 F/cm2，因

而在 相同的体积或重量的情况下，赝电容器的容量是双电层电容器容量的10～100

倍。

目前赝电容电极材料主 要为一些金属氧化物和导电聚合物 .[13]

3.2 超级电容器储能特征

3.3 超级电容器储能系统优点

超级电容器利用双电层原理直接储存电能，其容量可达数万F，是介于蓄电池和

传统电容器之间的一种新型储能装置。

超级电容器兼有常规电容器功率密度大、充电

能量密度高的优点，可快速充放电，且使用寿命长、不易老化。

超级电容器还具有

一些自身的优势，它没有可动部分，既不需要冷却 装置也不需要加热装置，在正常

工作时，内部没有发生任何化学变化。

超级电容器能够安全放电，安装简易，结构紧

凑，可适应各种不同的环境。

超级电容器的这些优点使得它成为处理尖峰负荷的佳选

择，非常适合作为储能器件应用于电机制动能量回收的场合。

 [14]如图 3

图 3基于超级电容器的节能系统示意图 [14]

4.超级电容器的发展现状

举例说明。

我国经多年自主研究开发超级电容器，在技术方面在国际上处于领

先地位，拥有独立的知识产权，产品的技术水平与俄罗斯同类产品相近 （见表 3），而

俄罗斯的产品被 17 届国际电动车年会 《EVS-17）评价为目前国际上最先进的超级电容

器，知识产权价值 2 亿美元。

 [15] 图 4 是由上海奥威参与的上海 11 路超级电容公交

电车已经正式运行 3 年多, 总计 17 辆车, 总运行里程超过 150 万 km , 完成载客 680

8

万人平均能耗仅为 O.98kwh/km[16]

表 3130000F 级牵引性超级电容器的主要指标 [15]

图 4 [16]

5.超级电容器的综合应用展望

说起绿色能源，人们通常想到的是太阳能、风能、生物能、氢能等等．不过，从

技术角度和人类长远的可持续发展来看，超级电容器才是 21 世纪低碳经济中最理想

的储能再生动力电源，超级电容器技术也是低碳经济 [17]中的黄金技术。

在未来的生活中，超级电容器有太多作用。

在便携式仪器仪表中如驱动微电机 .

继电器、电磁阀中可以替代电池工作。

还可用于对照相机闪光灯进行供电 ,可以使闪

光灯达到连续使用的性能。

它应用在可拍照手机上，能使得拍照手机可以使用大功率

LED。

 超级电容器技术还可应用在移动无线通讯设备中等等。

 [18]也可以研究动力型超

级电容器技术。

 [19]研究碳纳米管的超级电容器。

 [20]

随着技术的不断改进和日趋成熟 , 绿色环保的新能源轿车和新能源货车也会大

9

批涌现 , 多种类大批量的电动车辆必将在中国大地及世界大地上承载希望驶向未来,

超级电容器也必将具有更加广阔远大的市场前景 .[21]

5 结束语

在了解了超级电容器后，我们已经明白了它的重要性。

而经过科技人员几十年的

努力，超级电容器研究取得长足的进步，但是超级电容器在能量密度、功率密度方面

还有待大幅度提高，特别是要提高价格竞争力。

同时需要加大其应用领域的开发力度，

以促进其实用化。

可以肯定的是，随着对超级电容器研究的不断深入，超级电容器的

性能将不断提高，应用领域将不断拓宽，市场前景将更加光明。

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