超級電容器是什么？性能特點有哪些？應用場景一覽

1 超級電容器是什么

超級電容器是一種通過在界面雙電層處或者近表面處發生物理吸附/脫附或者氧化還原反應來完成能量儲存和釋放的電化學儲電裝置。根據儲能機理不同可以將超級電容器分為雙電層超級電容器和贗電容超級電容器兩種。

(1)雙電層超級電容器(Electric Double Layer Capacitor, EDLC) 是通過電解質離子在電極材料表面發生的物理吸附/脫附實現電荷的存儲與釋放

(2)贗電容超級電容器靠電解質離子在電極材料表面發生快速可逆的氧化還原反應、以及離子快速嵌入/脫出來實現能量的存儲與釋放。

2 超級電容器電極材料

電極材料對超級電容器的電化學性能、彎曲性能及穩定性都有著直接的影響。理想的電極材料應具備大的比表面積(更多的活性位點以獲得高電容量)、豐富的孔隙結構(保證電解液離子的快速有效擴散)和良好的導電性(實現電荷快速傳輸)等特質。超級電容器電極材料也可根據其儲能機理分為雙電層電容電極材料和贗電容電極材料兩種。

(1)雙電層電容電極材料

常用的雙電層電容電極材料主要是碳材料，如活性炭、碳納米管和石墨烯等。由于它們具有好的導電性、穩定的化學和電化學性能、高的比表面積、豐富的形態和較低的成本等優點,碳材料在超級電容器和鋰離子電池等儲能器件中展現出巨大的應用潛力。

(2)贗電容電極材料

贗電容電極材料存儲和釋放電荷的過程是通過在電極材料的表面層發生可逆且快速的氧化還原反應來進行的，具有較大的理論電容量。這類材料具有較低的導電率和較小的比表面積，因此降低了電荷傳輸速率和活性反應位點。此外,在充放電過程中,由于氧化還原反應的發生,電極材料的體積會發生膨脹和收縮，導致循環穩定性降低。由于以上原因,致使贗電容的實際電容量遠小于其理論值。通常采用將其與碳材料復合的策略來克服這些缺點。目前研究最多的贗電容電極材料有過渡金屬化合物和導電聚合物。

3 超級電容器的特點

(1)功率密度高：可達100W/kg,遠高于蓄電池的功率密度水平

(2)超高電容量：與同體積普通電容器相比，超級電容的電容量高出3個數量級以上

(3)充放電速度快：充電時間僅幾分鐘，普通電池則需要幾個小時

(4)循環壽命長：在幾秒鐘的高速深度充放電循環100萬次后，特性變化很小，容量和內阻僅降低10%^ 20%

(5)工作溫限寬：其容量變化遠小于蓄電池，商業化超級電容器的工作溫度范圍可達-40°C ~+80°C

(6)免維護：充放電效率高，對過充電和過放電承受能力較強，可反復充放電，理論上無需維護

(7)綠色環保：緊急制動能量回收高達75%;鉛酸電池能量回收僅為5%，可節約大量燃料。

(8)能量密度低：仍然不能作為電動力的主要儲電器，使用超級電容的公交車只能持續行駛幾公里到幾十公里

(9)耐壓較低：單體電壓低，受制于超級電睿器的電解溶液的分解電壓

(10)成本高：成本高于鋰電池與電解電容

(11)只能用于直流電路：內阻較大，不可以用于交流電路

4 超級電容器的應用場景

(1)高鐵：超級電容可替代備用牽引電池，普通電池壽命只有2年左右，更換回收成本高。超級電容器使用壽命長達10-20年。

(2)電動轎車/電動跑車：超級電容器可使電池儲能得到顯著提升，通過能量轉化，實現能量的高效循環利用。

(3)有軌電車：安裝超級電容器的有軌電車行進中無需外部供電，充放電時間短。且以超級電容炭為原料的

(4)智能分布式電網系統：超級電容器可在因能源不穩定而發生暫態緩沖的情況下，作為緩沖器來存儲能量

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