超级电容-supercapacitor.doc

1、超级电容目录简介 超级电容的特点 类比 中国超级电容市场状况与前景 超级电容器使用注意事项简介 超级电容的特点 类比 中国超级电容市场状况与前景 超级电容器使用注意事项展开编 辑 本 段 简 介英 文 名 称 ： Supercapacitors 超 级 电 容 的 容 量 比 通 常 的 电 容 器 大 得 多 。 由 于 其 容 量 很 大 ， 对 外 表 现 和电 池 相 同 ， 因 此 也 有 称 作 “电 容 电 池 ”。 超 级 电 容 属 于 双 电 层 电 容 器 ， 它 是 世 界 上 已 投 入 量 产 的 双 电 层 电 容 器 中容 量 最 大 的 一 种 ， 其 基 本

2、 原 理 和 其 它 种 类 的 双 电 层 电 容 器 一 样 ， 都 是 利 用 活性 炭 多 孔 电 极 和 电 解 质 组 成 的 双 电 层 结 构 获 得 超 大 的 容 量 。 编 辑 本 段 超 级 电 容 的 特 点（ 1） 充 电 速 度 快 ， 充 电 10 秒 10 分 钟 可 达 到 其 额 定 容 量 的 95 以 上 ；（ 2） 循 环 使 用 寿 命 长 ， 深 度 充 放 电 循 环 使 用 次 数 可 达 150 万 次 ， 没有 “记 忆 效 应 ”； （ 3） 大 电 流 放 电 能 力 超 强 ， 能 量 转 换 效 率 高 ， 过 程 损 失 小 ，

3、 大 电 流 能量 循 环 效 率 90%； （ 4） 功 率 密 度 高 ， 可 达 300W/KG5000W/KG， 相 当 于 电 池 的 510 倍 ； （ 5） 产 品 原 材 料 构 成 、 生 产 、 使 用 、 储 存 以 及 拆 解 过 程 均 没 有 污 染 ，是 理 想 的 绿 色 环 保 电 源 ； （ 6） 充 放 电 线 路 简 单 ， 无 需 充 电 电 池 那 样 的 充 电 电 路 ， 安 全 系 数 高 ，长 期 使 用 免 维 护 ； （ 7） 超 低 温 特 性 好 ， 温 度 范 围 宽 -40 +70 ； （ 8） 检 测 方 便 ， 剩 余 电 量

4、 可 直 接 读 出 ； （ 9） 容 量 范 围 通 常 0.1F-1000F 。 法 拉 （ farad） ， 简 称 “法 ”， 符 号 是 F 1 法 拉 是 电 容 存 储 1 库 仑 电 量 时 ， 两 极 板 间 电 势 差 是 1 伏 特 1F=1C/1V 1 库 仑 是 1A 电 流 在 1s 内 输 运 的 电 量 ， 即 1C=1AS。 1 库 仑 =1 安 培 秒 1 法 拉 =1 安 培 秒 /伏 特 编 辑 本 段 类 比电 瓶 （ 蓄 电 池 ） 12 伏 14 安 时 的 放 电 量 =14*3600/12=4200 法 拉 (F) 地 球 的 电 容 值 仅

5、有 1-2F 左 右 超 级 电 容 与 电 池 比 较 ， 有 如 下 特 性 ： a.超 低 串 联 等 效 电 阻 （ LOW ESR） ， 功 率 密 度 (Power Density)是 锂 离子 电 池 的 数 十 倍 以 上 ， 适 合 大 电 流 放 电 ， （ 一 枚 4.7F 电 容 能 释 放 瞬 间 电 流18A 以 上 ） 。 b. 超 长 寿 命 ， 充 放 电 大 于 50 万 次 ， 是 Li-Ion 电 池 的 500 倍 ， 是 Ni-MH 和 Ni-Cd 电 池 的 1000 倍 ， 如 果 对 超 级 电 容 每 天 充 放 电 20 次 ， 连 续 使

6、 用可 达 68 年 。 c. 可 以 大 电 流 充 电 ， 充 放 电 时 间 短 ， 对 充 电 电 路 要 求 简 单 ， 无 记 忆 效应 。 d. 免 维 护 ， 可 密 封 。 e.温 度 范 围 宽 -40 +70 ， 一 般 电 池 是 -20 60 。 补 充 超 级 电 容 器 （ supercapacitor,ultracapacitor） ， 又 叫 双 电 层 电容 器 (Electrical Doule-Layer Capacitor)、 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

7、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 。 （ 见 图 1

8、） 一 、 超 级 电 容 器 为 何 不 同 于 传 统 电 容 器 其 “超 级 “在 哪 ？ 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

9、 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 （ 10 ） 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

10、 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 。 二 超 级 电 容 器 有 哪 些 优 点 和 缺 点 ？ 1、 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 象 电 池 接 触

11、 不 牢 固 等 问 题 ； 2、 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 ； 三 、 超 级 电 容 器 都 有 哪 些 应 用 ？ 超 级 电 容 器 的 低 阻 抗 对 于 当 今 许 多 高 功 率 应 用 是 必 不 可 少 的 。 对 于快 速 充 放 电 ， 超 级 电 容 器 小 的 ESR 意 味 着 更 大 的 功 率 输 出 。 瞬 时 功 率 脉 冲 应 用 ， 重 要 存 储 、 记 忆 系 统 的 短 时 间 功 率 支

12、 持 。 四 、 应 用 举 例 1、 快 速 充 电 应 用 ， 几 秒 钟 充 电 ， 几 分 钟 放 电 。 例 如 电 动 工 具 、 电 动 玩具 ； 2、 在 UPS 系 统 中 ， 超 级 电 容 器 提 供 瞬 时 功 率 输 出 ， 作 为 发 动 机 或 其 它不 间 断 系 统 的 备 用 电 源 的 补 充 ； 3、 应 用 于 能 量 充 足 ， 功 率 匮 乏 的 能 源 ， 如 太 阳 能 ； 4、 当 公 共 汽 车 从 一 种 动 力 源 切 换 到 另 一 动 力 源 时 的 功 率 支 持 ； 5、 小 电 流 ， 长 时 间 持 续 放 电 ， 例 如

13、计 算 机 存 储 器 后 备 电 源 ； 五 、 我 可 以 多 快 给 超 级 电 容 器 放 电 ？ 超 级 电 容 器 可 以 快 速 充 放 电 ， 峰 值 电 流 仅 受 其 内 阻 限 制 ， 甚 至 短 路也 不 是 致 命 的 。 实 际 上 决 定 于 电 容 器 单 体 大 小 ， 对 于 匹 配 负 载 ， 小 单 体 可 放 10A，大 单 体 可 放 1000A。 另 一 放 电 率 的 限 制 条 件 是 热 ， 反 复 地 以 剧 烈 的 速 率 放 电 将 使 电 容 器温 度 升 高 ， 最 终 导 致 断 路 。 六 、 我 怎 么 样 控 制 超 级 电

14、 容 器 的 放 电 ？ 超 级 电 容 器 的 电 阻 阻 碍 其 快 速 放 电 ， 超 级 电 容 器 的 时 间 常 数 在12s， 完 全 给 阻 -容 式 电 路 放 电 大 约 需 要 5 ， 也 就 是 说 如 果 短 路 放 电 大 约需 要 510s。 （ 由 于 电 极 的 特 殊 结 构 它 们 实 际 上 得 花 上 数 个 小 时 才 能 将 残 留的 电 荷 完 全 放 干 净 ） 七 、 超 级 电 容 器 比 电 池 更 好 ？ 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

15、 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 。

16、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

17、 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 。 八 、 如 何 选 择 我 所 需 的 超 级 电 容 器 ？ 首 先 ， 功 率 要 求 、 放 电 时 间 及 系 统 电 压 变 化 起 决 定 作 用 。 超 级 电 容 器 的 输 出 电 压 降 由 两 部 分 组 成 ， 一 部 分 是 超 级 电 容 器 释 放能 量 ； 另 一 部 分 是 由 于 超 级 电 容 器 内 阻 引 起 。 两 部 分 谁 占 主 要 取 决 于 时 间 ，在 非 常 快 的 脉 冲 中 ， 内 阻

18、 部 分 占 主 要 的 ， 相 反 在 长 时 间 放 电 中 ， 容 性 部 分 占主 要 。 以 下 基 本 参 数 决 定 您 选 择 电 容 器 的 大 小 1、 最 高 工 作 电 压 ； 2、 工 作 截 止 电 压 ； 3、 平 均 放 电 电 流 ; 4、 放 电 时 间 多 长 编 辑 本 段 中 国 超 级 电 容 市 场 状 况 与 前 景超 级 电 容 器 产 品 虽 然 问 世 不 久 ， 但 由 于 它 具 有 特 殊 的 优 点 ， 已 在 许 多 领域 中 获 得 了 应 用 ， 其 前 景 可 以 认 为 是 非 常 广 阔 。 2010 年 上 海 世 博

19、 会 中 稳 定运 营 的 36 辆 超 级 电 容 客 车 更 是 吸 引 了 众 多 观 光 者 的 眼 球 。 超 级 电 容 车 一 旦展 开 普 及 ， 市 场 会 大 的 超 出 想 象 。 国 内 从 事 大 容 量 超 级 电 容 器 研 发 的 厂 家 共 有 50 多 家 ， 然 而 ， 能 够 批 量生 产 并 达 到 实 用 化 水 平 的 厂 家 不 到 20 家 。 国 内 厂 商 大 多 生 产 液 体 双 电 层 电容 器 ， 重 要 企 业 有 锦 州 凯 美 能 源 （ 原 锦 州 富 辰 、 锦 州 锦 容 ） 、 北 京 集 星 电 子 、上 海 奥 威

20、 等 十 多 家 。 锦 州 凯 美 能 源 是 国 内 最 大 的 超 级 电 容 器 专 业 生 产 厂 ， 主要 生 产 纽 扣 型 和 卷 绕 型 超 级 电 容 器 。 北 京 集 星 可 生 产 卷 绕 型 和 大 型 电 容 器 ，而 上 海 奥 威 产 品 多 集 中 在 车 用 超 级 电 容 器 上 。 从 各 厂 商 的 产 品 来 看 ， 核 心 企 业 间 的 竞 争 并 不 直 接 ， 因 为 没 有 完 全 重 复的 ， 竞 争 也 只 是 局 限 于 一 个 领 域 范 围 内 的 。 预 计 2010-2010 年 各 企 业 之 间仍 将 有 良 好 的 合

21、 作 ， 市 场 格 局 不 会 发 生 大 的 变 化 。 上 海 奥 威 、 凯 美 、 集 星 电子 等 几 家 企 业 仍 将 占 据 国 内 市 场 绝 大 的 份 额 ， 细 分 市 场 上 各 企 业 的 竞 争 优 势将 更 加 明 显 。 总 得 来 说 ， 市 场 竞 争 不 会 太 激 烈 。 基 于 中 国 消 费 电 子 近 年 来 的 惊 人 增 长 表 现 ， 预 计 今 后 几 年 内 ， 我 国 纽 扣型 超 级 电 容 器 有 望 保 持 30%以 上 的 平 均 增 长 率 ， 卷 绕 型 和 大 型 超 级 电 容 器 则有 可 能 保 持 50%以 上

22、 的 平 均 增 长 率 。 到 2013 年 ， 我 国 超 级 电 容 器 的 整 体 产业 规 模 有 望 达 到 79 亿 元 。 1 超 编 辑 本 段 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

23、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

24、器 具 有内 阻 较 大 的 特 点 ， 在 放 电 的 瞬 间 存 在 电 压 降 ， V=IR。 6、 使 用 中 环 境 气体 ： 超 级 电 容 器 不 可 处 于 相 对 湿 度 大 于 85%或 含 有 有 毒 气 体 的 场 所 ， 这 些环 境 下 会 导 致 引 线 及 电 容 器 壳 体 腐 蚀 ， 导 致 断 路 。 7、 超 级 电 容 器 的 存 放 ：超 级 电 容 器 不 能 置 于 高 温 、 高 湿 的 环 境 中 ， 应 在 温 度 -30+50 、 相 对 湿 度小 于 60%的 环 境 下 储 存 ， 避 免 温 度 骤 升 骤 降 ， 因 为 这 样

25、会 导 致 产 品 损 坏 。 8、 超 级 电 容 器 在 双 面 线 路 板 上 的 使 用 ： 当 超 级 电 容 器 用 于 双 面 电 路 板 上 ，需 要 注 意 连 接 处 不 可 经 过 电 容 器 可 触 及 的 地 方 ， 由 于 超 级 电 容 器 的 安 装 方 式 ，会 导 致 短 路 现 象 。 9、 当 把 电 容 器 焊 接 在 线 路 板 上 时 ， 不 可 将 电 容 器 壳 体 接触 到 线 路 板 上 ， 不 然 焊 接 物 会 渗 入 至 电 容 器 穿 线 孔 内 ， 对 电 容 器 性 能 产 生 影响 。 10、 安 装 超 级 电 容 器 后

26、， 不 可 强 行 倾 斜 或 扭 动 电 容 器 ， 这 样 会 导 致 电容 器 引 线 松 动 ， 导 致 性 能 劣 化 。 11、 在 焊 接 过 程 中 避 免 使 电 容 器 过 热 ： 若 在 焊 接 中 使 电 容 器 出 现 过 热 现 象 ， 会 降 低 电 容 器 的 使 用 寿 命 ， 例 如 ： 如 果使 用 厚 度 为 1.6mm 的 印 刷 线 路 板 ， 焊 接 过 程 应 为 260 ， 时 间 不 超 过 5s。 12、 焊 接 后 的 清 洗 ： 在 电 容 器 经 过 焊 接 后 ， 线 路 板 及 电 容 器 需 要 经 过 清 洗 ，因 为 某 些

27、 杂 质 可 能 会 导 致 电 容 器 短 路 。 13、 将 电 容 器 串 联 使 用 时 ： 当 超级 电 容 器 进 行 串 联 使 用 时 ， 存 在 单 体 间 的 电 压 均 衡 问 题 ， 单 纯 的 串 联 会 导 致某 个 或 几 个 单 体 电 容 器 过 压 ， 从 而 损 坏 这 些 电 容 器 ， 整 体 性 能 受 到 影 响 ， 故在 电 容 器 进 行 串 联 使 用 时 ， 需 得 到 厂 家 的 技 术 支 持 。 14、 其 他 ： 在 使 用超 级 电 容 器 的 过 程 中 出 现 的 其 他 应 用 上 的 问 题 ， 请 向 生 产 厂 家 咨 询 或 参 照 超级 电 容 器 使 用 说 明 的 相 关 技 术 资 料 执 行