詳解：超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用

　　超級(jí)電容器，也叫電化學(xué)電容器，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型儲(chǔ)能元件。1957年，美國(guó)的Becker首先提出了可以將電容器用作儲(chǔ)能元件，具有接近于電池的能量密度。1962年，標(biāo)準(zhǔn)石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種工作電壓為6V、以碳材料作為電極的電容器。稍后，該技術(shù)被轉(zhuǎn)讓給NEC電氣公司，該公司從1979年開始生產(chǎn)超級(jí)電容器，1983年率先推向市場(chǎng)。20世紀(jì)80年代以來，利用金屬氧化物或氮化物作為電極活性物質(zhì)的超級(jí)電容器，因其具有雙電層電容所不具有的若干優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已引起廣大科研工作者極大興趣。

　　1超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理

　　超級(jí)電容器按儲(chǔ)能原理可分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器。

　　1.1雙電層電容器的基本原理

　　雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來存儲(chǔ)能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解液接觸時(shí)，由于庫侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲(chǔ)能是通過使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來實(shí)現(xiàn)的，并沒有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的。

　　1.2法拉第準(zhǔn)電容器的基本原理

　　繼雙電層電容器后，又發(fā)展了法拉第準(zhǔn)電容，簡(jiǎn)稱準(zhǔn)電容。該電容是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度的化學(xué)吸脫附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應(yīng)而將電荷儲(chǔ)存于電極中。

　　2超級(jí)電容器的特性

　　超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)物理電容器和電池之間的一種較佳的儲(chǔ)能元件，其巨大的優(yōu)越性表現(xiàn)為：①功率密度高。超級(jí)電容器的內(nèi)阻很小，而且在電極/溶液界面和電極材料本體內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)電荷的快速儲(chǔ)存和釋放。②充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容器在充放電過程中沒有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其循環(huán)壽命可達(dá)萬次以上。③充電時(shí)間短。完全充電只需數(shù)分鐘。④實(shí)現(xiàn)高比功率和高比能量輸出。⑤儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)。⑥可靠性高。超級(jí)電容器工作中沒有運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)工作極少。⑦環(huán)境溫度對(duì)正常使用影響不大。超級(jí)電容器正常工作溫度范圍在-35～75℃。⑧可以任意并聯(lián)使用，增加電容量;若采取均壓后，還可串聯(lián)使用，提高電壓等級(jí)。

　　3超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用

　　超級(jí)電容器作為大功率物理二次電源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域用途十分廣泛。各發(fā)達(dá)國(guó)家都把超級(jí)電容器的研究列為國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略研究項(xiàng)目。1996年歐洲共同體制定了超級(jí)電容器的發(fā)展計(jì)劃，日本“新陽光計(jì)劃”中列出了超級(jí)電容器的研制，美國(guó)能源部及國(guó)防部也制定了發(fā)展超級(jí)電容器的研究計(jì)劃。我國(guó)國(guó)家863計(jì)劃制定了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)(2001)超級(jí)電容器課題。以下介紹超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

　　3.1電車電源

　　由于超級(jí)電容器具有非常高的功率密度，因此可以很好地滿足電車在起動(dòng)、加速、爬坡時(shí)對(duì)功率的需求，可以作為混合型電動(dòng)車的加速或起動(dòng)電源。美國(guó)通用汽車公司已將Maxwell Tech-nologies公司生產(chǎn)的Power Cache超級(jí)電容器組成并聯(lián)混合電源系統(tǒng)和串聯(lián)電源系統(tǒng)用在汽車上。文獻(xiàn)[3]研究表明，利用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)作電源可以減少蓄電池的尺寸、重量，并延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

　　2004年7月，我國(guó)首輛超級(jí)電容器公交車及其快速充電候車站系統(tǒng)投入試運(yùn)行。該系統(tǒng)解決了無軌電車帶來的視覺污染、機(jī)動(dòng)性差和規(guī)劃難等問題，以零排放、低噪聲的性能，改善了公交汽車尾氣排放給城區(qū)帶來的空氣污染，并避免了傳統(tǒng)蓄電池的二次污染，延長(zhǎng)了使用壽命。

　　3.2電子類電源

　　超級(jí)電容器不僅可以用作光電功能電子手表和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器等小型裝置的電源，而且還可以用在衛(wèi)星上。衛(wèi)星上使用的電源多是由太陽能與電池組成的混合電源，一旦裝上了超級(jí)電容器，衛(wèi)星的脈沖通訊能力定會(huì)得到改善。由于超級(jí)電容器具有快速充電的特性，對(duì)于像電動(dòng)工具和玩具這些需要快速充電的設(shè)備來說，超級(jí)電容器無疑是一個(gè)很理想的電源。文獻(xiàn)[4]介紹了在移動(dòng)通信電源領(lǐng)域，電化學(xué)雙電層電容器由于具有高功率密度和低能量密度的特性，將主要用來與其他電源混合組成電源，同時(shí)還可以用于短時(shí)功率后備，用于保護(hù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5]研究了利用雙電層電容器作為可植入醫(yī)療器械的救急電源，由于雙電層電容器不需要過渡充放電保護(hù)電路以及使用壽命長(zhǎng)，將替代傳統(tǒng)電池。