电化学电容器、超大容量电容器。超级电容器按其储能原理

1 前言

能源是人类生存和发展的物质基础。随着能源危机和人类环保意识的增强，为了解决能源问题，一方面，各个国家积极开发利用绿色新能源代替传统石油能源，比如太阳能、风能和潮汐等；另一方面，随着人们环保意识增强，各国科研人员开始关注能量存储和回收装置的研发。在这种背景下超级电容器应孕而生，超级电容器是一种新兴的绿色节能存储电能器件。超级电容器在上个世纪60年代在美国研发生产出来，并在80年代逐步走向市场。超级电容器在性能上比传统物理电容器更加优秀，同时存储电能比传统物理电容器容量大一个数量级。随着科学技术发展，近年来超级电容器的应用越来越广泛。

2 超级电容器储能原理

超级电容器又称为电化学电容器、超大容量电容器。超级电容器按其储能原理可以分为双电层电容器、准法拉第电容器和混合超级电容器。超级电容器与传统电容器相比，超级电容器虽然也是物理存储电荷，但由于其电极采用高比表面积材料，在电极表面形成双电层电荷存储，这种超级电容器称为双电层电容器。基于准法拉第原理构成的超级电容器称为准法拉第电容器。将两者结合起来构成的超级电容器称为混合超级电容器。单个电容器可以存储更大的额度容量，可做成1法拉到上千法拉。单个超级电容器的内部结构如下图所示，它是由集流体、电极、电解液和隔离物构成。这种电容器的储能是通过电解液进行电化学极化来实现的，并没有发生化学反应，这种储能过程是可逆的。

3 超级电容器的特点

超级电容器是一种介于普通电容器和电池之间的一种新型储能器件。超级电容器主要有以下特性。

（1）功率密度高。超级电容器的内阻小，可以在电极/电解液界面和电极本体内均可实现电荷的快速存储和释放，输出功率可达到数KW/kg，这是任何一个电源都无法比拟的。

（2）循环充放电寿命长。超级电容器在冲、放电过程中没有发生化学反应，冲、放电次数可高达上万次。

（3）充电时间快。超级电容只需要数分钟可以充满。

（4）储能寿命长。超级电容器充满后，虽然存在微小的泄流电流，但是在其内部没有发生化学反应，没有产生新物质，电极在电解液中也是稳定的，所以可以认为超级电容器的储能寿命可以无限长。

（5）可靠性高。超级电容器内部没有运动部件，不存在维护工作量，所以可靠性很高。

（6）充、放电效率高。

（7）正常工作环境温度范围广。

超级电容器与铅酸蓄电池各种特性相比如下表所示。

4 应用与发展前景

超级电容器由于其具有高功率密度、充电速度快和可靠性高等优点，得到了广泛研究和应用。超级电容器主要应用在轨道交通、可再生能源、电力系统等领域。

（1）轨道交通领域。超级电容器在轨道交通领域主要应用在有轨电车、地铁制动能量回收装置等。现代有轨电车采用超级电容器作为动力来源，不需要接触网，在车辆停站时迅速完成充电。地铁站间距离较短，制动频繁，制动能量可观，利用超级电容器制成制动能量回收装置，代替制动电阻，将制能量存储起来，当列车启动时在释放出来，对于地铁节能有很大意义。

（2）可再生能源领域。由于风力发电和太阳能发电具有波动性、随机性，可能会造成蓄电池频繁充电，但是蓄电池充放电寿命较短，而超级电容器可以很好解决这个问题。超级电容器可以作为微电网能量缓冲环节，可以提供备用容量改善电力品质，改善系统的可靠性。

（3）电力系统领域。超级电容器可以用于电力系统谐波污染治理，将提高电源质量，保证用电安全性、可靠性等。

随着科学技术不断发展，超级电容器在各个领域应用会越来越广泛，超级电容器各项指标会不断提高以满足人类需求，超级电容器代替传统储能器件也必然成为一种趋势。