張譽 蔣良航

【摘 要】在電子信息時代，電力設(shè)備已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ撸梢源嫒藗兺瓿筛鞣N復(fù)雜的操作。當(dāng)前，電力設(shè)備的耗電需求不斷增加，對電容器的存儲量要求不斷提升。傳統(tǒng)電容器無法滿足現(xiàn)代化電路運行的要求，早期簡單的電路結(jié)構(gòu)逐漸被復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)形式取代。超級電容器應(yīng)運而生，能夠有效地解決大負(fù)荷電路運行難的問題，確保電子設(shè)備正常發(fā)揮使用功能。

【關(guān)鍵詞】超級電容器;技術(shù);應(yīng)用

【中圖分類號】TB332;TM53【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0110-03

超級電容器作為一種電化學(xué)儲能裝置，具有高度可逆的性質(zhì)，功率密度遠超普通電容器。它具有充電效率高，無須維護，無毒無害，綠色環(huán)保的優(yōu)勢。與普通電池相比，超級電容器能量密度遠低于普通電容器，這也導(dǎo)致超級電容器的發(fā)展受到限制。要積極加強對電容器的比容量研究，將超級電容器與普通電容器結(jié)合使用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，滿足未來儲能器的發(fā)展需求。

1 超級電容器概念

1.1 超級電容器的概念和原理

超級電容器類似于蓄電池，是具有強大的程度差異的儲能裝置，介于普通電池和普通電容器的超級電化學(xué)元件 [1]。超級電容器的儲能過程具有高度可逆性，而且是物理變化的過程，既可以實現(xiàn)反復(fù)充放電，又不會對電容產(chǎn)生干擾。

1.2 超級電容器的儲能原理

超級電容器的核心是雙電層結(jié)構(gòu)，有外加電壓作用于普通電容器的兩個極板時，裝置儲能的電荷原理相同，正負(fù)電極和正負(fù)電荷一一對應(yīng)，在電場作用下，電解液和電極之間會發(fā)生相反電荷，分別位于不同的接觸面，電容器結(jié)構(gòu)組合的改進，可以提高超級電容器的電容儲量。超級電容器兩極板之間的電勢小于電解液標(biāo)準(zhǔn)時，電容器處于正常工作狀態(tài)，根據(jù)超級電容器的反應(yīng)原理，在實際運用中可能沒有化學(xué)反應(yīng)，僅發(fā)生物理性質(zhì)的變化，因此超級電容器的穩(wěn)定性更佳。

1.3 超級電容器的主要分類

超級電容器根據(jù)不同的儲能原理可以分為雙電層電容器、混合型電容器和準(zhǔn)電容器等類型，混合型電容器可以解決蓄電池功率密度低和能量密度低的缺點。從電極材料方面劃分，包括導(dǎo)電聚合物、超級電容器、貴金屬氧化物。從電極反應(yīng)狀況劃分，超級電容器包括對稱型和非對稱型兩種類型。

2 超級電容器的主要特點

2.1 超級電容器的優(yōu)點

與普通電容器相比，超級電容器具有多方面的優(yōu)勢。利用超級電容器功率密度高的特點，能夠在電極或電解液界面中實現(xiàn)電荷的快速存儲與釋放，輸出功率高，這一特性任何普通電源都無法實現(xiàn)。超級電容器不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，完全通過物理反應(yīng)的方式工作，能夠極大延長超級電容器循環(huán)充放電的壽命，整個過程不會造成能量損耗，超級電容器只需要15 min就可以充滿容量 [2]。在超級電容器充滿以后，盡管依然有微量的電流，但是內(nèi)部并不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，或者產(chǎn)生新的物質(zhì)，電極在電解液中非常穩(wěn)定。有學(xué)者認(rèn)為超級電容器的儲能壽命可以無限延長。超級電容器內(nèi)部沒有運動部件，也不存在維護工作量，可靠性更高。久置不用后，很多普通電池會發(fā)生電壓降低的問題，但超級電容器的容量性能并不會隨之改變。超級電容器在生產(chǎn)運輸和使用時不會產(chǎn)生對環(huán)境污染的物質(zhì)，整個電路設(shè)計非常簡單，可以直接對剩余電量進行快速讀取，檢測十分方便。超級電容器通過對早期電容器進行改良，其電容量可以達到法拉級別，更有效滿足復(fù)雜電路的運行需要。超級電容器的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計非常簡單，沒有特殊充電電路和控制放電電路等電容器的整體使用，也不會出現(xiàn)過充、過放等問題。普通電容器無法進行焊接，超級電容器可以根據(jù)實際需求進行焊接處理，有效避免電池接觸不良等異常問題，增強了電容器使用的可靠性。

2.2 超級電容器的缺點

超級電容器自身的能量密度非常低，這是目前超級電容器最主要的缺點，使得超級電容器的體積比較大。中科院金屬研究科研人員提出運用電化學(xué)電荷注入的方式改變電極材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，對正負(fù)電極材料的電化學(xué)電位進行調(diào)控，達到最佳的初始電位，使得組裝超級電容器在調(diào)控后的能量密度顯著增加。運用電化學(xué)預(yù)包裹的方式，利用二氟草酸硼酸鋰的分解在正電極表面預(yù)先包覆一層納米尺度保護層，可以有效解決超級電容器隨能量密度增加使用循環(huán)壽命降低的問題，利用鋰電子超級電容器的智能電芯，設(shè)計出實用的電芯結(jié)構(gòu)，有效減少廢舊電線處理造成資源浪費的情況 [3]。超級電容器單體電壓非常低，受到電解溶液分解電壓的限制，與常規(guī)電解電容器相比，超級電容器自身的內(nèi)阻更大，不適用于交流電路。通過對超級電容器進行性能測試發(fā)現(xiàn)，超級電容器安裝位置不合理也會引發(fā)電解質(zhì)泄漏等問題，嚴(yán)重破壞電容器自身的結(jié)構(gòu)。超級電容器僅限于直流電路使用，與鋁電解容器相比較，其擁有更大的電阻，不適用于交流電路運行需求。超級電容器作為全新的高科技產(chǎn)品，目前的市場價格還非常昂貴，導(dǎo)致超級電容器的推廣和普及難度加大。

2.3 超級電容器與其他儲能裝置比較

超級電容器的出現(xiàn)填補了普通電容器的空白，不僅比功率遠超出普通電池，充電時間非常短，可以快速放電，充放電效率相當(dāng)高，還能夠有效延長使用壽命。

3 超級電容器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 軌道交通領(lǐng)域

超級電容在有軌電車、地鐵制動能量回收裝置等方面被廣泛應(yīng)用。目前，有軌電車主要通過超級電容器作為動力來源，無須接觸網(wǎng)就能夠快速完成充電。地鐵之間的間距非常短，制動頻繁，制動能量相當(dāng)高，可以用超級電容器制動能量回收裝置取代制動電阻，在汽車啟動時釋放制動能量，對地鐵運輸節(jié)能具有非常重要的作用 [4]。超級電容器工作溫度為-40～70 ℃，可承受50萬次的充放電深度循環(huán)。超級電容器作為一種儲能系統(tǒng)，早在2006年，上海巴士集團就已經(jīng)將超級電容公交系統(tǒng)用于日常運行，公交車的線路行駛固定，只需要在?？空军c時利用乘客上下車的時間，就能夠采用超級電容技術(shù)快速補充能量，實現(xiàn)續(xù)航，直至下一個充電站。與傳統(tǒng)的電子式電力公交相比較，采用超級電容器的公交系統(tǒng)不再受到電線的局限，也不會因為故障造成車輛無法自動運行，提高城市的整體市容環(huán)境，但是超級電容公交車在早期存在散熱不及時的問題，使得車輛在行駛過程中會出現(xiàn)噪音偏大、運行速度慢、車輛突然停止、充電設(shè)備被擠占等問題。隨著技術(shù)的革新，全新高能量智能超級電容車在2019年9月正式運營，這不僅徹底解決了超級電容系統(tǒng)高溫性能不佳、噪音大、續(xù)航里程短等問題，還能夠?qū)崿F(xiàn)單次充電40 s運行10 km的續(xù)航水平，整個充電站隨著線路的不斷增加，超級電容公交系統(tǒng)也變得越來越便捷。在私家車領(lǐng)域，超級電容器無法持續(xù)輸出能量，同時私家車也沒有固定的行駛路線，私家車目前很難將超級電容器作為唯一的能量來源，但是可以通過超級電容器作為傳統(tǒng)動力電池的輔助。在短時間內(nèi)提高電動車的整體續(xù)航能力，超級電容器自身的回收儲能效率也比普通電池更高。在充電階段，超級電容器能夠使車輛在極短時間內(nèi)完成充能，消除充電的長時間等待。在紅燈車輛停止?fàn)顟B(tài)下，超級電容器就能夠為電池組自動充電。在車輛需要加速時，超級電容器還可以直接向電機輸出大電流，或者電池組將電能反向輸出給超級電容器，增強瞬間電流的輸出效果。目前，超級電容器很難在電動車上大規(guī)模普及與推廣，但是可以搭配電池進行使用，獲得更好的效果。搭配超級電容器之后，電動車?yán)m(xù)航能力得到全面提高，有效減少電池的整體重量，使得電池變得更加小巧精致，減輕電動車的重量，同時能夠提高能源消耗效果，降低生產(chǎn)成本。超級電容還可以應(yīng)用在智能充電樁技術(shù)中，目前超級快充樁普及瓶頸在于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力。利用超級快充技術(shù)，能夠打破網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的局限。在閑置狀態(tài)下，超級電容器可以直接通過低功率或高壓直流電動充電，不會給電網(wǎng)造成負(fù)荷壓力，在充滿電的狀態(tài)下可以實現(xiàn)大功率的直流輸出，使得超級電容器實現(xiàn)快速充電。超級電容器的能量密度比較低，安全性非常高，不占空間，體積較小。在車底正中央安裝超級電容器，能夠有效避免因為事故碰撞造成超級電容器出現(xiàn)異常問題 [5]。

3.2 可再生能源領(lǐng)域

目前，隨著風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的不斷發(fā)展，我國已經(jīng)有很多清潔能源項目，但這些清潔能源。隨機性和波動性的特點，使得蓄電池頻繁充電，縮短蓄電池的使用壽命。超級電容器可以有效解決這些問題，可以為微電網(wǎng)提供大量的緩沖能量，改善電力的整體品質(zhì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

3.3 消費電子

電容器可以在短時間內(nèi)提供大電流，在系統(tǒng)電壓突然降低的情況下，還可以充當(dāng)后備電源使用。主電源發(fā)生中斷、接觸不良或者負(fù)載過大等問題，運用超級電容器可以有效避免突然斷電對整個電器造成的負(fù)面影響。

3.4 變頻驅(qū)動系統(tǒng)能量緩沖器

超級電容器的功率變換器可以共同構(gòu)成能量緩沖器，可以應(yīng)用于電梯等電驅(qū)動系統(tǒng)中，在系統(tǒng)加速時，能夠由直流母線提供電流，提高電機所需的峰值功率。在減速時，可以向直流母線進行能量回收，利用動力UPS可以直接將超級電容器作為儲能組件，避免多節(jié)蓄電池串聯(lián)引發(fā)的各種問題，有效降低變頻驅(qū)動系統(tǒng)的成本，方便維護使用。

3.5 軍事裝備

軍事系統(tǒng)要求儲能單元必須輕便可靠，具有隱蔽性，但很多軍用設(shè)備無法通過公共電網(wǎng)供電，需要配備專用發(fā)電設(shè)備和儲能機制，混合型超級電容器能夠滿足軍事裝備的需求，減輕設(shè)備的負(fù)擔(dān) [6]。同時，它可以有效解決潛艇中蓄電池壽命短的問題，還可以避免因為低溫啟動困難造成車輛運輸受到影響，全面提升車輛的動力性和隱蔽性。微電網(wǎng)通常配備可再生能源發(fā)電機，目前在并網(wǎng)中還存在限制，為避免對微電網(wǎng)造成干擾，可以選擇ESS管理策略。超級電容器可以改善電池儲能系統(tǒng)的缺陷，也能夠增強電池放電功率的整體性能?？梢月?lián)合電池儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中應(yīng)用。超級電容器具有高彈性快速響應(yīng)的優(yōu)勢，滿足電力需求，使系統(tǒng)的運行效率更高，延長燃料電池的整體使用壽命。

未來，超級電容器的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。低成本、高密度是超級電容器未來發(fā)展的主要方向，能夠顯著降低設(shè)計成本，促進超級電容器的快速普及。超級電容器具有更高的密度、免維護、長壽命的使用特性，能夠擴大市場占有率，并且實現(xiàn)超高功率的發(fā)展。超級電容器在不同領(lǐng)域中的老化機理研究及電容器儲能系統(tǒng)控制策略，也是未來超級電容器的主要發(fā)展趨勢，可以幫助超級電容儲能系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化，減少系統(tǒng)設(shè)計時造成的各種不利因素 [7]。

4 結(jié)語

我國一直以來主要以常規(guī)電容器為主，通過兩片接近或相互絕緣電極構(gòu)成儲存電荷電能的電子元件。超級電容通過雙電層電容器，具備充電時間短、運行壽命長、溫控效果好、環(huán)保性能強的優(yōu)勢，在未來社會發(fā)展中具有非常廣闊的應(yīng)用前景，超級電容器取代傳統(tǒng)儲能器也是一種必然的發(fā)展趨勢。

參 考 文 獻

[1]何昫.三氧化鎢超級電容器電極材料的制備與性能研究[D].長春：吉林大學(xué)，2020.

[2]代立新.高性能水凝膠電解質(zhì)的制備及在電化學(xué)儲能中的應(yīng)用[D].長春：吉林大學(xué)，2020.

[3]陳志敏.生物質(zhì)基分級多孔炭的制備及電化學(xué)性能研究[D].長春：吉林大學(xué)，2020.

[4]李濤.新型多孔有機聚合物的構(gòu)筑及電化學(xué)性能研究[D].無錫：江南大學(xué)，2020.

[5]徐少文.高能量密度生物質(zhì)衍生炭基超級電容器的構(gòu)建[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2020.

[6]沈苗.泡沫鎳負(fù)載Ni3S2/聚吡咯復(fù)合材料的制備及其超容性能研究[D].長沙：湖南師范大學(xué)，2020.

[7]楊娜娜.不同維度碳材料負(fù)載MOFs復(fù)合材料的制備與電容性能[D].西安：西安科技大學(xué)，2020.