張勁松

隨著全球能源價格的不斷攀升和環(huán)境的日益惡化，探索利用環(huán)保能源成為各國科技人員努力的重點。超級電容器是近年發(fā)展起來的新型電力儲能器件，具有循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、環(huán)境友好、免維護的優(yōu)點，在新型電力儲能技術(shù)方面具有廣闊發(fā)展前景。

一、超級電容器簡介

超級電容器，又叫雙電層電容器、電化學(xué)電容器、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件，在儲能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，因此超級電容器可以反復(fù)充放電十萬次。超級電容器可視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。

超級電容器是建立在德國物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的全新電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使電極間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負(fù)離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器。但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間小得多，因此電容量非常大。當(dāng)兩極板間的電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，界面上的電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)(通常為3V以下)；如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。

二、超級電容器的主要特點

1、功率密度高

可達103～104W／kg，遠高于目前蓄電池的功率密度水平。

2、循環(huán)壽命長

深度充放電循環(huán)可達50萬次～100萬次以上。

3、工作溫度范圍寬

目前超級電容器工作溫度范圍可達－40℃～+80℃，今后有望更寬。

4、免維護

超級電容器充放電效率高，對過充電和過放電有一定的承受能力，可穩(wěn)定地反復(fù)充放電，理論上不需要進行維護。

5、綠色環(huán)保

超級電容器在生產(chǎn)過程中不使用重金屬或其它有害的化學(xué)物質(zhì)，且壽命長，是一種新型的綠色環(huán)保電源。

三、超級電容器的使用領(lǐng)域

1、后備電源

稅控機、稅控加油機、真空開關(guān)、智能表、遠程抄表系統(tǒng)、儀器儀表、數(shù)碼相機、掌上電腦、電子門鎖、程控交換機、無繩電話時鐘芯片、靜態(tài)隨機存貯器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等微小電流供電的后備電源。

2、啟動電源

智能表(智能電表、智能水表、智能煤氣表、智能熱量表)作電磁閥的啟動電源。

3、充電電池

在太陽能警示燈、航標(biāo)燈等太陽能產(chǎn)品中代替充電電池；也可在手搖發(fā)電手電筒等小型充電產(chǎn)品中代替充電電池。

4、驅(qū)動電源

可用作電動玩具電動機、語音IC、LED發(fā)光器等小功率電器的驅(qū)動電源。

5、與其他發(fā)電或蓄電系統(tǒng)組合

如風(fēng)能一太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力一柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等，在電力匯合或互補時采用超級電容器進行調(diào)節(jié)或過渡期的補充，可以提高系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，并提高電力能源的質(zhì)量。

近年來，大功率超級電容器的生產(chǎn)逐漸走向成熟。我國科學(xué)家經(jīng)過不斷努力，將比活性碳有更多貯存離子空間的金屬氧化物附著在直徑大約100納米的碳納米管上，而碳納米管又涂在鉭金屬薄片上，由此形成了“納米牧場”的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，納米牧場的貯電能力是單個氧化錳貯電能力的10倍，所貯備的電量是現(xiàn)有超級電容器所使用的碳電極貯電量的兩倍。納米牧場的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以抵擋機械性能的退化，從而避免超級電容器的性能隨時間逐步下降。測試結(jié)果表明，此新裝置的貯電能力在充電和耗電2萬次之后僅僅下降了3％，勝過其他高性能的設(shè)計。隨著國家在風(fēng)能、太陽能和電動汽車等領(lǐng)域的不斷投入，相信我國的科研工作者有望讓它們盡快應(yīng)用于實際中。

(作者單位：河南省新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)