超级电容器十篇

超级电容器篇1

摘 要：本文主要对超级电容器领域的相关专利申请的分析进行了梳理，并进行了举例说明。超级电容电极材料主要包括碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料以及复合材料，本文主要介绍了碳材料在超级电容器领域的应用，并具体从活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个分支分别介绍了超级电容器。

关键词：超级电容器;碳材料;活性炭;碳纤维;碳气凝胶;碳纳米管;石墨;专利申请

1 不同电极材料在超级电容器上的研究与应用

1.1 碳材料

碳材料是最早被用作电极材料的，碳材料电极先后出现了多孔碳材料、活性炭材料、纳米碳纤维、碳纳米管等多种材料。碳材料的特征主要表现为双电层特性，双电层电容器充电时在电极/溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列产生双电层电容储能，其电荷及电位分布如图1（a）所述。加上直流电压后，经过一段时间在2个极化电极与电解液的界面上就会形成新的双电层，其电荷与电位分布如图1（b）所示。充电时通过外部电源，电子从正极转移到负极，同时，溶液中的正负离子各自反向扩散到电极表面，能量以电荷形式存储在电极材料与界面之间。由于电极电荷和溶液中反电离子的相互作用，离子不会迁移到溶液中去，保证双电层的稳定。

目前已经公开的有关碳基材的超级电容的申请有2560篇，其中多孔碳因具有较高的比表面积和孔隙率，且相对于碳纳米管、石墨烯等具有成本低廉、原料丰富、适合大规模生产等优点依然是超级电容器的热门电极材料。何孝军等人采用花生壳为原料、KOH为活化剂，所得多孔炭材料作为超级电容器电极材料表现出较好的稳定性（CN102417178）。而且，作为多孔碳的一种，活性炭作为超级电容的电极材料有着更进一步的优势，将具有1600cm2/g特定表面的活性碳细微粒子放入模具，不使用任何粘结剂，施加300kg/cm2的压强，分别供给一个90秒钟的750A的离子脉冲电流和一个120秒钟的1000A的热电流，从而产生一个薄圆盘形的细微碳粒子的多孔烧结体，即得到活性炭电极（JPH0378221 A五十铃汽车有限公司）。然而，活性碳系列的材料导电性较差，所得电容器等效串联电阻大。而且该活 性碳系列的比表面积实际利用率不超过30%，电解质离子难以进入，因此不 适于用作超级电容器的电极材料。碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）的出现为超级电容器的开发提供了新的机遇，它具有良好的导电性能且本身的比表面积大，制得的超级电容器 具有较高的比电容量和电导率。（CN101425380清华大学）

然而，无论怎样，以碳材料作为电极材料虽然有诸多优点，但是由于其只利用双电层储存能量，在性能方面有所限制，因此出现了金属氧化物材料的电极开发与研究。

1.2 金属氧化物材料

法拉第赝电容电极材料的研究主要集中在金属氧化物上，比如氧化钌，氧化镍，二氧化锰等。他们不同于双电层电容器中碳材料电极那样存储能量，而是在电容器进行充放电时，金属氧化物与溶液的界面处发生可逆氧化还原反应，从而获得更大的比容量。目前世界范围内关于金属氧化物材料的超级电容的专利申请量为413篇。刚开始研究的电极材料是氧化钌材料，然而，由于钌金属属于贵金属材料，虽然其拥有良好的效果，由于价格昂贵，很大的程度上制约了钌金属电极材料的应用。所以，后来人们开始将目光转向其他的廉价金属以替代氧化钌，或者利用碳材料或其他金属化合物与其进行复合，在提高电极材料的同时，减少氧化钌的用量从而降低超级电容器的制造成本。比如，以二氧化锰作为电极材料，形成超级电容器（JP3935814 夏普公司），由于MnO2在充放电过程中发生了可逆的氧化还原反应，其比电容远高于活性炭电极的比电容。

1.3 导电聚合物材料

导电聚合物超级电容器与金属氧化物电容器同属于赝电容型超级电容器，因其良好的固有导电率和高能量密度，同时又有相较于金属氧化物更低成本的特征，成为了一种常用的电极材料。距今为止，有关导电聚合物电极材料的专利有250篇。导电聚合物超级电容器的最大优点就是能够在较高的电压下进行工作，克服金属氧化物超级电容器工作电压不高的问题。对阴极基材表面进行化学蚀刻，如涂覆腐蚀性物质或实施电化学蚀刻等，然后涂覆导电聚合物涂层，所述导电涂层包含烷基取代聚（3，4-乙烯二氧噻吩），采用这种聚合物，得到比许多传统涂层材料更高的电容（CN103310985 AVX公司）。通过使用规定的导电性高分子结合于表面，并且具有规定的直径的细孔容积为特定的比率的多孔质碳材料作为电极材料，可获得具有高静电容量，循环特性优异的双电层电容器。所述电性高分子为选自聚苯胺、聚吡咯、聚吡啶、聚喹啉、聚噻唑、聚喹喔啉以及它们的衍生物中的至少1种（WO2012050104 横滨橡胶株式会社）。

1.4 复合材料

为了进一步增大超级电容器的能量存储，使其具有赝电容性能以及双电层特性，单一材料作为电极材料不再满足人们的需求。制备利用碳材料作为基体的复合材料不仅增加了活性材料的有效利用，也增加了复合材料的导电率以及机械强度，现今，已有大量的文献和专利对碳材料作为基体来改善复合材料的电化学性能进行了研究，仅涉及复合材料的专利申请量就达到了355篇。例如，通过使氧化钌和特定的碳材料复合化，可以使氧化钌的比表面积和电极物质的空间这两者扩大，从而通过纳米复合化来实现电荷利用率的提高（CN1964917B 国立大学法人东京农工大学）。因此，未来对于超极电容器复合电极材料的研究可能会吸引越来越多的目光。

2 碳电极材料在超级电容器上的研究与应用

理论上，电极材料的比表面积越大，容量越大，越适合作为电容器电极材料。实际上，研究发现，高比表面积的碳材料的实际利用率并不高，因为碳材料的孔径分为微孔（<20nm）、中孔（2-50nm）、大孔（>50nm），其中对于形成双电层有利可以作为超级电容器电极的只有大于20nm孔径的材料，因此在提高比表面积的同时还要同时调控孔径的分布。目前，已有多种不同类型的碳材料应用于超级电容器电极材料上，关于碳电极材料的相关专利申请主要集中在活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个方面。如图2所示，不同的碳电极材料有不同的特征。

2.1 活性炭

活性炭是一种由无定形碳和石墨微晶组成的多孔材料，一般在多孔碳的比表面积大于500m2/g时被称为活性炭。由于活性炭的微孔而具有大的比表面积，因此，通常使用包含活性炭的电极材料用作超级电容器的电极，使其表面与电解质接触（KR20100011228 LS美创有限公司）。然而活性炭的导电性不强，因此在利用活性炭制得电极时，可以对普通活性炭进行化学改性，使之具有良好的导电性、较高的表观密度和高比容量，并加入乙炔黑等导电剂以增强活性炭电极的导电性（CN1419256 A成都茵地乐电源科技有限公司）。

而且，活性炭的来源十分广泛，作为超级电容器的关键材料直接影响到超级电容器的性能。目前，常用的活性炭的制备原材料主要来自石油基原料、植物、甚至污泥等，例如，以甘蔗渣（例如冲绳产或其它的来源）获得的原料经碳化获得碳化物，将碳化物进行碱活性化得到活性炭（CN101503189 产业技术研究所股份有限公司）;以小麦面粉、玉米面等为原料制备超级电容器用活性炭（US8318356B2 康宁股份有限公司）;利用低密度农业废弃物，通过二氧化碳或者水蒸气活化从而制备活性炭（US6537947B1 迪尔公司）。因此，活性炭的来源广，成本低，也是其一直备受青睐的重要原因。

2.2 碳纤维

碳纤维属于高效吸附性材料，由于其表面碳原子的不饱和性，它可以以化学形式结合其他原子和原子团，因此碳纤维具有更由于活性炭的吸附性能。利用高密度的高导电性碳纤维作为负极活性物质，所制得的超级电容器的库仑效率将提高90%或者更高（JP2811389B2 B2 日本电池株式会社）。通过添加细微碳纤维来改善充放电容量、改善电极极板强度，这里提到的细微碳纤维，一般是利用烃的热分解气相法制造的（JPH5-321039 昭和电工株式会社），这种碳纤维的直径通常为0.01-5um。然而，为了提高电池或电容的充放电容量，以提高负极材料的结晶性来提高容量时，不仅仅是负极材料，进而对添加材料也要求具有放电容量高的材料。因此，对于其添加材料的碳材料，提高其结晶性并获得导电性好的细微碳纤维是十分有必要的（CN1343269 A昭和电工株式会社）。现在，关于碳纤维作为超级电容器电极领域的研究仍然吸引着众多学者的关注，有关的专利申请量为157篇。

2.3 碳气凝胶

碳气凝胶是由美国人Pekala首先发现的一种新型纳米多孔材料，一经出现立刻引起各国研究工作者的浓厚兴趣。通过调整碳气凝胶的孔隙大小，其具有更优良的导电性（JP2011159960 三星电机株式会社）。另外，由于经过溶胶-凝胶化反应得到的碳气凝胶材料一般呈块状，这时需要把块状气凝胶球磨成微米级粉末（～10μm），不仅费时费力，还费钱。因此出现了一种直接制得粉末状碳气凝胶的制备方法，可以满足应用多样化的需求（CN103449406 A 中山大学）。但是，现阶段制备碳气凝胶的工艺较为复杂，在制备碳气凝胶的前驱体时通常采用超临界干燥技术，该方法成本高，过程复杂，生产周期长，规模化生产难度大，并且具有一定的危险性，因此各国的研究者都在探索常压干燥代替超临界干燥的制备工艺。

2.4 碳纳米管

自1991年日本NEC公司的Iijima发现碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）以来，其具有的优良的机械和光电性能，被认为是复合材料的理想添加物。纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此，按照石墨烯片的层数，碳纳米管材料可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。为了获得更高的电容量，将碳纳米管与一结合剂混合，模制成一平板价型，制得电极，其中碳纳米管可以是单壁或者多壁碳纳米管（CN1317809株式会社日进纳米技术）。将碳纳米管将单壁碳纳米管与甲醇溶液混合搅拌制得单壁碳纳米管的分散液，将此分散液在减压气氛中通过PTFE滤纸得到一纸膜压单壁碳纳米管片材，将该片材放置于刻蚀铝箔的表面，然后设置隔膜等，制得超级电容器（US2010259867 A1 日本化工株式会社）。以多壁碳纳米管为原料，与浓硫酸和浓硝酸混合加热，获得预氧化的碳纳米管，清洗后与插层剂混合烘干后二次加热，膨胀后得到石墨烯纳米带，活化处理后得到多孔石墨烯纳米带制备超级电容器（CN103332689中国科学院宁波材料技术与工程研究所）。或者将单层碳纳米管与多层碳纳米管混合，与粘结剂作用制得电极材料（JP2008010681 A爱考斯研究株式会社）。

2.5 石墨

单层石墨材料作为新型的超级电容器的电极材料，是利用其二维结构，具有极大的比表面积，低比重，单片片层厚度在0.34nm～2nm之间分布，表面的官能团存在使单层石墨材料与电解液充分润湿。与传统的活性炭作为电极材料的超级电容器相比节省能源;与碳纳米管

作为电极材料的超级电容器相比，成本低廉。新型的超级电容器性能

良好，具有很高的比电容及高的能量密度（可达50Whkg-1），其比功率更可高达40kWkg-1（CN101383231 南开大学）。

3 总结

超级电容器篇2

超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。

美国《探索》杂志2007年1月号，将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池。

全球超级电容器技术生产新动态

目前全球已有上千家超级电容器生产商，可以提供多种类的超级电容器产品，大部分产品都是基于一种相似的双电层结构，采用的工艺流程为：配料混浆制电极裁片组装注液活化检测包装。

超级电容器根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种类型，三者在容量上大致归类为5F以下、5～200F、200F以上。钮扣型产品具备小电流、长时间放电的特点，可用在小功率电子产品及电动玩具产品中。而卷绕型和大型产品则多在需要大电流短时放电，有记忆存储功能的电子产品中做后备电源，适用于带CPU的智能家电、工控和通信领域中的存储备份部件。

2007年，全球钮扣型超级电容器产业规模为10.2亿美元，卷绕型和大型超级电容器产业规模为34.8亿美元，超级电容器产业总规模为45亿美元，同比增长45％；预计2008年全球钮扣型超级电容器产业规模为15.3亿美元，卷绕型和大型超级电容器产业规模为为52.2亿美元，超级电容器产业总规模为67.5亿美元，同比增长50％。

在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位，如美国的Maxwell，日本的NEC、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。

我国超级电容器技术生产新动态

近年来，由于看好这一领域广阔的应用前景，中国一些公司也开始积极涉足这一产业，并已经具备了一定的技术实力和产业化能力。

目前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只有10多家。

2005年，中国超级电容器产业总规模达到3.9亿元人民币，较2004年的2.48亿元增长57.2％，其中，纽扣型超级电容器为4千万元，卷绕型和大型超级电容器为3.5亿元。2006年产业总规模达到5.7亿元人民币，增速高达46.2％。其中，钮扣型超级电容器市场规模为9千万元，卷绕型和大型超级电容器为4.8亿元。2007年产业总规模达到8.6亿元人民币，增速高达50％。其中，钮扣型超级电容器市场规模为1.4亿元，卷绕型和大型超级电容器为7.2亿元。预计2008年产业总规模可达13.3亿元人民币，增速可达55％。其中，钮扣型超级电容器市场规模可达2.1亿元，卷绕型和大型超级电容器市场规模可达11.2亿元。

目前，国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司、锦州锦容公司、石家庄高达公司、北京金正平公司、锦州凯美公司、大庆振富公司、江苏双登公司、哈尔滨巨容公司、南京集华公司等十多家。据称，国产超级电容器已占有中国市场60％～70％的份额。

由于新兴公司不断涌现，超级电容器在国内的大规模应用也渐行渐近。国内供应商正积极地从不同角度来应对规模应用所面临的问题。例如，由于是一个相对较新的产业，国内供应商目前正积极地进行市场及技术推广工作，越来越多的买家也逐步开始了解并认可超级电容器。此外，目前供应商正积极从事应用开发，帮助买家开发出成熟的替代方案。

在克服大功率应用超级电容器一次性投入成本较高的问题上，国内供应商也在通过提高其性价比方面积极努力。业内人士指出，超级电容器相对蓄电池的优越性要靠性价比来体现。以铅酸蓄电池为例，目前一般可充放电5000次，但超级电容器理论上的充放电次数可达数万次乃至数十万次，就实际水平而言，国内某些厂商的超级电容器已经可以实现充放电20000次。这样一来，如果超级电容器在使用寿命上是蓄电池的4～5倍，而价格却仅为其3倍左右，就可以体现出更具竞争优势的性价比。

在具体应用开发上，国内供应商已经开始在各自擅长的领域取得具体应用成果。在小功率应用超级电容器方面，国内不少厂商都开发出了相应的应用或替代方案，使其产品获得了具体应用。部分公司的产品已经应用到太阳能高速公路指示灯、玩具车和微机后备电源等领域。

目前，国内厂商也很注重超级电容器的大功率应用，如环保型交通工具、电站直流控制、车辆应急启动装置、脉冲电能设备等。

应用需求及市场前景广阔无限

业内专家预测，目前中国市场的年需求量可达2150万只，约1.2亿Wh，且每年都在以约50％的速度增长；整个亚太地区的年需求量超过9000万只，约5.4亿Wh，增长速度约为90％；全球的年需求量约为2亿只，约12亿Wh，增长速度约为160％。由此可知，市场前景非常广阔。美国市场研究公司Frost & Sullivan的一份报告预计，2002年到2009年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入将分别以157％和49％的年复合增长率保持高速增长。目前，超级电容器占世界能量储存装置(包括电池、电容器)的市场份额不足1％，在我国所占市场份额约为0.5％，因此超级电容器存在着巨大的市场潜力。

超级电容器篇3

摘 要： 石墨烯基超级电容器电极材料，其广阔的应用前景已经引起国内外极大的关注。为了更全面的把握石墨烯基电极材料专利申请态势，本文综述了石墨烯基电极材料专利发明的技术演进，重要申请人的研究热点，作者试图对电极材料进行分类，分析不同种类电极材料的优缺点，从不同角度归纳电极材料性能的影响因素。

关键词： 超级电容器；电极材料；石墨烯

1 超级电容器基本原理

超级电容器，介于常规电容器与二次电池之间的一种新型储能器件，其比容量为传统电容器的20-200倍，比功率一般大于1000 W/kg，电极循环寿命大于105次，同时兼有常规电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点。

超级电容器的构成主要包括电极材料（活性物质、导电剂、粘合剂）、集流体、隔膜、电解液。

根据储能形式的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容电容器（法拉第准电容器）。双电层电容器基于双电层理论。赝电容电容器则基于法拉第过程。影响超级电容器的电化学性能的主要因素为超级电容器的电极材料，超级电容器电极材料主要包括：碳材料、导电聚合物材料及金属氧化物材料，以及上述材料的复合材料。石墨烯 （Graphene）是一种碳原子紧密堆积成的单层蜂窝状晶格结构的新型碳材料，被称为单层石墨，其厚度为0.34 nm，被认为是零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨的基本结构单元。

2 专利申请情况分析

检索中，中文数据库选择CNABS，外文数据库选择VEN。采用以关键词为主、分类号为辅的检索方式。检索关键词包括：石墨烯、石墨、超级电容器、电极材料、graphe#e+、graphite+、super 1w capactor+、electrode material+。检索涉及的分类号集中在H01B、H01M以及H01G@几个小类中。

3 技术主题分析

3.1 全球石墨烯基超级电容器电极材料专利申请趋势

全球近10年的专利申请量如图1所示，可以看出2006-2007年的申请量偏少，2008-2011年出现了申请量的急剧增加，2012年出现了申请量的最大值，2013-2014年申请量有减少的趋势，这种现象可能是由于近两年申请的专利还未完全公开，中国的申请量随时间的变化同全球申请量变化趋势一致。

3.2 全球主要国家及地区专利申请量分布

申请量最多的是中国，占这一领域申请的59.48%，可以看出中国在储能材料领域占有绝对优势；其次是美国，而WO及其他国家对石墨烯基超级电容器电极材料这一领域的研究力量投入尚不多，研发实力较薄弱。

3.3 全球重要申请人分析

国内的海洋王照明科技股份有限公司、中国科学院金属研究所、美国的JANG B Z个人、三星电子有限公司、浙江大学的申请量排名比较靠前。

海洋王照明科技股份有限公司在石墨烯基超级电容器电极材料领域投入了较多的研究力量，该公司在石墨烯基超级电容器电极材料的研究方向根据电极材料的种类主要分为：特殊原子掺杂的石墨烯或石墨烯材料、石墨烯-碳材料、石墨烯-聚合物、石墨烯-金属材料等。（JANG-I） JANG B Z作为美国具有代表性的个人申请，其在石墨烯的制备，石墨烯、氧化石墨烯作为超级电容器电极材料以及超级电容器的成品组装方面进行了一系列研究。三星电子有限公司其研究重点在于石墨烯材料的微观调控、超级电容器的组装以及工业化应用方面，可以看出国外公司的研究更注重石墨烯材料的产业化应用。

3.4 石墨烯基电极材料的研究发展趋势

石墨烯基超级电容器电极材料的研究起初，最核心技术在于石墨烯的制备。石墨烯基超级电容器电极材料的研究第二阶段为一元石墨烯基超级电容器电极材料，是指直接将石墨烯或者改性后的石墨烯作为超级电容器电极材料。石墨烯基超级电容器电极材料的研究第三阶段为二元石墨烯复合电极材料，是将石墨烯与导电聚合物、金属、碳材料等进行复合之后形成电极材料。石墨烯基超级电容器电极材料最近的研究重点和热点在三元石墨烯电极材料的制备和性能研究。

早期的石墨烯的制备研究阶段，美国发挥着主导作用。中国在随后也开始了不同微观形状的石墨烯的制备，包括球状、三维多孔状、单层以及多层石墨烯材料。一元石墨烯电极材料的研究中，美国依然是先驱者。随后，美国、韩国、日本的研究热点从材料转向超级电容器、电池的组装以及商业化应用。中国的研究热点依然停留在材料性能的改进方向，在二元、三元复合材料研究中，大部分为中国申请。

4总结和展望

石墨烯基电极材料是一种新兴储能材料，根据我国的形势，石墨烯基储能材料必然得到更广泛的用途。石墨烯基储能领域的发展，应该基于电极材料的性能提升和工业化两方面着手。通过合理的改性和拓展新用途，达到一定有益效果，并且能够投入工业化生产应该是现在超级电容器电极材料的主流发展。

参考文献

超级电容器篇4

与电池相比，超级电容器能提供更大的峰值功率，具有更小的外形尺寸，在更宽的工作温度范围内具有更长的充电周期寿命，还具有更低的等效串联电阻(ESR)，可提供更高的功率密度。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比，超级电容器以类似的外形尺寸和重量，提供更高的能量密度。通过降低超级电容器的TOp―Off电压，并避开高温(>50℃)，可以最大限度地延长超级电容器的寿命。表1比较了超级电容器、电容器和电池的关键特点。

较早一代的两节超级电容器充电器设计是为用于从3.3V、3xAA或锂离子／聚合物电池以低电流充电。然而，超级电容器技术的改进使市场得以扩大，因此出现了中到大电流应用机会，这类应用未必限定在消费类产品领域内。其主要应用包括固态硬盘和海量存储备份系统、工业用PDA和手持式终端等便携式大电流电子设备、数据记录仪、仪表、医疗设备以及各种各样“濒临电源崩溃”的工业应用(例如，安全设备和警报系统)。其他消费类应用包括那些具大功率突发的应用，例如，相机中的LED闪光灯、PCMCIA卡和GPRS／GSM收发器，以及便携式设备中的硬盘驱动器(HDD)。

超级电容器的设计挑战

超级电容器有很多优点，不过，当两个或更多电容器串联叠置使用时，就给设计师带来了各种问题，例如，容量平衡、充电时电容过压损坏、过度吸取电流，以及大的解决方案占板面积。如果频繁需要大的突发峰值功率，那么也许需要较大的充电电流。此外，很多充电电源可能是电流受限的，例如，在电池缓冲器应用或在USB／PCCARD环境中。就空间受限和较大功率的便携式电子设备而言，能够解决这些问题是至关重要的。

通过IC的反向传导一般会引起灾难性事件。诸如串联整流二极管等外部解决办法效率不是很高，因为压降很大。肖特基二极管的正向压降较小，因此可实现较高的系统效率，但是比常规二极管昂贵。另一方面，场效应管(FET)提供了低导通电阻和极低的损耗。内部的FET控制电源通路(PowerPathTM)电路是解决这个问题的好办法，可避免可能导致损坏的结果。倘若输入突然降至低于输出，那么凭借电源通路控制，这类IC的控制器可以快速彻底地断开内部FET，以防止发生从输出返回到输入电源的反向传导。

容量平衡的串联超级电容器可确保每节电容上的电压都大约相等，而如果超级电容器中容量不平衡，就可能导致过压损坏。就小电流应用而言，具外部电路以及为每节电容器提供一个平衡电阻器的充电泵是解决这个问题的低成本方案。平衡电阻器的值主要取决于电容器的漏电流，原因如后面所述。为了限制平衡电阻器引起的漏电流对超级电容器能量存储的影响，设计师可以选择使用电流很低的有源平衡电路。容量失配的另一个来源是漏电流之差。电容器中的漏电流开始时相当大，然后随着时间推移衰减到较小的值。不过，如果串联电容器的漏电流之间是失配的，那么某些电容器再充电时可能会过压，除非设计师选择的平衡电阻器能在每节电容器上提供比电容器漏电流大得多的负载电流。不过，平衡电阻器引入了不想要的电流分量和永久性的放电电流，这给应用电路增加了负担。如果以大电流对失配的电容器充电，那么平衡电阻器也不对各节电容器提供过压保护。

就小到中功率应用而言，解决超级电容器充电问题的另一种低成本(但复杂的)方法是使用一个限流开关加上一些分立式组件和一些外部无源组件。在这种方法中，限流开关提供充电电流和限制，而电压基准和比较器IC则提供电压钳位，最后，一个运算放大器(吸收／提供)和平衡电阻器实现超级电容器的容量平衡。然而，镇流电阻器的值越小，静态电流就越大，电池运行时间就越短；当然，其显而易见的好处是节省了成本。不过，这种方法实现起来非常笨重，而且性能不高。

一种简单的解决方案

LTC3226是一款无电感器的超级电容器充电器，具有备份的电源通路控制器，适用于在需要短期备份电源的应用中使用的锂离子或其他低压系统轨。该器件具恒定输入电流，采用低噪声双模式(1x／2x)充电泵架构，用2.5～5.5V的输入电源给两节串联的超级电容器充电，并充电至2.5～5.3V的可编程电容器充电电压。充电器的输入电流可用电阻器编程，高达315mA。该器件的自动容量平衡和电压钳位功能可保持两节电池上的电压相等，因而无须平衡电阻器。这保护了每节超级电容器免受过压损坏(否则电容或漏电流失配可能引起这种过压损坏)，同时最大限度地降低了电容器上的漏电流。

LTC3226有两种工作模式：正常模式和备份模式。工作模式由可编程电源故障(PFI)比较器决定。在正常模式中(PFI为高电平)，功率通过一个低损耗外部FET理想二极管从VIN输送至VOUT，而且充电泵保持接通状态以对超级电容器组进行Top-off充电。在备份模式下(PFI为低电平)，充电泵关断，内部LDO接通，以用超级电容器存储的电荷提供Vour负载电流，同时外部理想二极管防止反向电流流进VIN。超级电容器通过内部LDO提供的备份电流可高达2A。

当输出电压处于稳定状态时，LT C3226用非常低的55 μ A静态电流工作。该IC采用纤巧的3mm×3mmQFN封装，基本充电电路需要很少的外部组件，占用空间也很小。该器件的900k Hz高工作频率可减小外部组件尺寸。内部限流和热停机电路允许该器件承受从PROG、VOUT或CPO引脚到地的持续短路而不受损坏。其他特点包括CAP PGOOD和VIN PFO＼(电源故障)输出以及用于系统内务处理的VOUTRST＼输出。

LT C3226采用紧凑的16引线、扁平(O，75mm)3mm×3mm QFN封装，在-40～+125℃的温度范围内工作。

要构成一个可与LT C3226相比的解决方案，需要非常复杂地组合多个IC：一个用于超级电容器充电的降压／升压型稳压器、一个用于备份电源通路的2A LDO、一个4通道比较器以及用于外部“理想二极管”加监视功能的背对背FET，还有一个运算放大器和各种不同的分立式组件，以实现保护性分

流和小电流平衡。另外，用户还可以选择一种“低价”方法，该方法仅对超级电容器充电，并提供备份控制(不用两个比较器和运算放大器)，不过这种方法没有充电电流限制、小电流平衡、电容器保护或电压监视功能。与更加昂贵的分立式解决方案相比，这种廉价方法可以用不那么昂贵的低值电阻器取代比较昂贵的高值电阻器和运算放大器的组合，但这种低值电阻器消耗大量静态电流，而且没有为超级电容器提供过压保护(钳位)。

电源通路控制和理想=极管

LTC3226含有一个理想二极管控制器，该控制器通过GATE引脚控制输入VIN和输出VOUT之间连接的外部PFET的栅极(见图2)。在正常工作条件下，这个外部FET构成了从输入到输出的主电源通路。就非常轻的负载而言，该控制器在输入和输出电压之间的FET上保持了15mV的增量。倘若VIN突然降至低于VOUT。那么该控制器就快速彻底关断FET，以防止从VOUT返回输入电源的任何反向传导。工作模式

LT C3226有两种工作模式：正常模式和备份模式。如果VOUT。高于外部可编程的PFI门限电压，那么该器件就处于正常模式，在这种模式时，功率通过外部FET从VIN流到VOUT，且内部充电泵保持接通，直至达到超级电容器组的Top-Off电压为止。如果Vm低于该PFI。门限，那么该器件就处于备份模式。在这种模式时，内部充电泵关断，外部FET关断，但LDO接通，以用存储的电荷提供负载电流(见图3)。

电压钳位电路

LTC3226充电泵配备了用于将任意超级电容器两端的电压限制为一个2，65V的最大可容许预设电压的电路。如果顶部电容器两端的电压(VMID一VCPO)在CPO引脚达到目标电压之前达到了2.65V，那么充电泵就通过CPO引脚停止对电容器组中顶部电容器充电，切换到1x模式，并通过VMID引脚直接向底部的电容器提供电荷，直至电容器组的电压达到设定值为止。如果底部电容器两端的电压在电容器组达到目标值之前达到2.65V，那么充电泵就通过CPO引脚继续向电容器组中顶部的电容器提供电荷，而且并联稳压器接通，以泄放底部电容器的电荷，防止VMID引脚电压进一步上升。并联稳压器能对约为315mA(在1x模式)的最大可允许充电电流分流。倘若两个电容器都超过了2.65V，那么充电泵就关断大多数电路，进入休眠模式。

漏电流平衡电路

LTC3226备有一个内部漏电平衡放大器，该放大器将VMID引脚电压维持在刚好等于CPO引脚电压一半的数值上。不过，该放大器的提供电流(约为4.5mA)和吸收电流(约为5.5mA)能力有限。这个放大器用来应对由漏电流引起的超级电容器的微小失配，由于有缺陷，因此不用来矫正大的失配。只要输入电源电压高于PFI门限，平衡器就工作。该内部平衡器无需外部平衡电阻器。

表2显示了对凌力尔特超级电容器充电器系列各款器件的比较。

超级电容器篇5

蓄电池是汽车中的关键的电器部件，其性能直接影响汽车的启动。现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。在启动过程别是在启动瞬间，由于启动电动机转速为零，不产生感生电势，故启动电流为：1=E/RmRsRl

其中：E为蓄电池空载端电压，RM为启动电动机的电枢电阻、RB为蓄电池内阻、RL为线路电阻。

图1

图2

由于RM、RB、RL均非常低，启动电流非常大。例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车，蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V！启动过程的蓄电池电压波形如图1；启动瞬时的电流达550A，约为蓄电池的12C的放电率！启动过程的蓄电池电流波形如图2，（电流传感器的电流/电压变换比率：100A/V）。尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池，可以高倍率放电，但在图1中可以看出，10倍以上的高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且，如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰，可以造成电气设备的“掉电”，迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电，计算

机在这个过程中非常容易死机。因此，无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑，改善汽车电源在启动过程的性能是必要的。

问题的解决方案可以加大蓄电池的容量，但需要增加很多，使体积增大，这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题。

2超级电容器原理及特点

2.1超级电容器原理

超级电容器是一种电容量可达数千法拉的电容量极大的电容器。根据电容器的原理，电容量取决于电极间距离和电极表面积，为了得到如此大的电容量，超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加电极表面积。为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极，超级电容器的结构如图3。双电层介质在电容器两电极施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成事实上的电容器的两个电极，如图4，很明显，两电极的距离非常小，仅几纳米，同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，可以达到200m2/克。因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。就储能而言，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。

当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

图3

图4

2.2主要特点

尽管超级电容器能量密度是蓄电池的5或是更少，但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。相比电池来说，这种超级电容器有以下几点优势：

电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3～4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。

充放电寿命很长，可达500000次，或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次；可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。

可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能。

可以在很宽的温度范围内正常工作（-40℃～70℃），而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作；超级电容器用的材料是安全和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性；而且，超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压措施后，还可以串联使用。

3超级电容器与蓄电池组合改善汽车启动性能

3.1电性能的改善

采用超级电容器与蓄电池并联时启动过程的电压波形如图5，电流波形如图6。与图1、图2相比启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V；启动电流从560A提高到1200A；启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到8.7kW；启动过程的平稳电压由7V提高到9.4V；启动过程的平稳电流由280A提高到440A；启动过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。

3.2启动性能的改善

超级电容器与蓄电池并联应用可以提高机车的启动性能，将超级电容（450F/16.2V）与12V、45Ah的蓄电池并联启动安装1.9升柴油机的汽车，在10摄氏度时平稳启动，尽管在这种情况中，当不连接超级电容器，蓄电池也可以启动，但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的速度和性能都非常得好。由于电源的输出功率的提高，启动速度由仅用蓄电池时的启动速度300rpm，增加到450rpm；尤其在提高汽车在冷天的起动性能（更高的起动转矩）上，超级电容器是非常有意义的，在零下20摄氏度时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点是非常明显的。

超级电容器篇6

关键词：超级电容 控制系统 节能

中图分类号：U674.31 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-042-02

1 引言

船用抓斗挖掘机是用于内河清淤、港口建设的船用设备，它利用船上的柴油发电机组发电，供机器上的电气设备使用。船用抓斗挖掘机通常有三个主要动作机构：提升机构、回转机构和变幅机构。

典型的船用抓斗挖掘机的控制系统采用变频驱动技术，将来自柴油发电机组的交流电源通过变频器的交直流转换装置整流成为直流电源后挂在直流母排上，再经逆变器驱动电机工作。但传统的船用抓斗挖掘机系统存在严重的能源浪费和环境污染问题。若将超级电容节能装置并联入变频器直流母排上，则可有效储抓斗下降的势能，以提供抓斗提升加速时使用。图1为超级电容节能装置整体结构示意图。

本系统作为抓斗作业装置势能及其制动能量存储装置和抓斗提升时能量来源之一，除了实现整机的节能运行，即超级电容节能装置的充放电；还要具有显示、通信及其检测功能。本论文设计的结构如图1所示。

超级电容节能装置主要由以下几部分组成：

（1）超级电容组：用于能量存储。

（2）超级电容电源管理模块：用于实现超级充放电时的均压、均流管理。与整机控制系统PLC的通信。

（3）双向DC/DC装置，连接于超级电容组与提升变频器直流母线直接，实现提升机构的充放电管理。实现信号采集与控制，有电流电压检测模块。有欠压，过压保护电路等保护电路。

（4）单项DC/DC装置，连接与超级电容组与回转变频器直流母线直接，实现回转制动时能量的回收。根据直流母线的电压值来决定充电电流的大小。装置也带有过电流保护、过电压保护以及控制逻辑硬件保护电路。

2 节能原理

节能装置设计的主要工况包括：

（1）抓斗提升时，电机工作于能耗状态，当发电机组输出的电流超过额定值时，双向DC/DC工作于升压模式，超级电容放电与发电机组一起供电。

（2）抓斗下降时，电机工作于再生能量状态，双向DC/DC装置工作于降压模式，超级电容进入充电状态，吸收再生能量。

（3）机器回转制动时，回转电机工作于再生能量状态，单项DC/DC装置工作于降压模式，超级电容进入充电状态，吸收再生能量。

（4）当超级电容节能装置故障时，输出故障信号给整机控制系统，整机联锁，停止工作。

超级电容节能装置双向输出端并联入提升变频器的直流母线，单项输出端并联如回转变频的直流母线。

当抓斗下降或制动处于能量再生状态时，电机反转将再生能量转换成电能，再通过变频器的逆变器流入直流母线，这时超级电容节能装置的DC/DC装置处于降压工作模式，再生能力通过DC装置，由直流母排流入超级电容组存储起来。

船用抓斗挖掘机抓斗作业装置加速时和抓斗离开水面瞬间，对柴油发电机组提出非常高的功率要求，需要提供瞬时大电流。本系统利用超级电容对抓斗作业装置下放及其制动时能量存储后，利用超级电容大电流放电的特性，补充这时所需的瞬时功率，这样既充分利用了原先通过电阻耗散掉的能量，又可以减少柴油发电机组超负荷运行时对环境的污染及其能耗的消耗。

3 超级电容节能装置硬件

本文所研究的超级电容节能装置在硬件设计方面集信号采样处理、显示、通讯和控制等功能为一体，系统硬件结构如图2所示。

主回路包括超级电容组及其相关电路，双向DC/DC主回路，单项DC/DC主回路。其中超级电容与双向DC/DC低压端相连，双向DC/DC高压端与提升变频器母线相连。单项DC/DC装置低压侧与超级电容相连，高压侧与回转变频器母线相连。除了主回路外，硬件系统中还包括电容均衡及其管理系统，DC/DC及其控制电路和通信电路等。

3.1超级电容器的选择

要使船用抓斗挖掘机混合动力系统能够安全稳定有效工作，达到预期目的，超级电容选配是关键。选择超级电容器产品应综合考虑等效串联电阻（ESR）、漏电流和体积等因素，ESR越小，放电效率越高、放电电流也越高，同时充放电过程产生热量也越小，有利于散热；漏电流是超级电容器电荷保持能力的标志，需要尽可能低的漏电流；超级电容器的体积越小越好，以便应用时尽可能少占用设备空间。

综合以上因素我们选择了如表1技术要求的超级电容。

3.2 超级电容系统管理系统的选择

超级电容管理系统的目的主要是实现对超级电容组的监控与管理，同时实现与整机控制系统的通信，在设计中我们选择了西门子PLC-200作为超级电容关系系统的控制器，实现对超级电容首次充电时的均压管理，充放电时的电压电流管理。确保超级电容组工作在设定的范围。装置设有过压、欠压报警。实现对充放电电流上限的限制，使电流工作在最大电流值以下，确保装置的安全与可靠。

3.3 双向DC/DC性能参数的确定

（1）正向输入电压。Vci =480～340V（电容器输出，电容电压变化范围），当Vci ≤340V时，DC/DC自动停止正向输出。

（2）正向输出电压。Vdo变化范围在513V（根据变频器直流母线电压变化确定，母线电压变化范围在500～560V）。

（3）正向输出功率。Po=250kW，Pomax=375kW（60s）

（4）反向输入电压。Vdi=500～690V（再生能量回馈过程）

（5）反向输出电压。Vco=340～480V （向电容器充电），反向输出为分段恒流限压充电模式，第一阶段充电电流480A，达到480V时转入第二阶段，第二阶段电流240A，当电容器电压再次达到480V时，停止充电。

（6）反向输出功率。Pco=200kW。

3.4 单项DC/DC性能参数的选择

（1）输出电压。V=480～340V（电容电压变化范围），当V480V时，DC/DC自动停止输出。

（2）输入电压。V变化范围在510V～690V（变频器直流母线电压变化范围）。

（3）输出功率。P=180kW，Pmax=200kW（60s）。

4 系统软件实现

超级电容管理系统PLC主程序主要完成数据初始化、故障综合、电流电压A/D采样、手动充放电、重要信息及时通信等功能。系统采用故障信号进行冗余判断的方式，提高了系统运行的可靠性，同时增加超级电容故障综合诊断的设计。

DC/DC装置自带的单片机控制器，通过编程实现对发电机组输入电流的PID跟踪功能。通过编程实现对输入输出电流电压的实时跟踪，确保系统工作在设定的电压与电流范围能，保证系统安全可靠的工作。

其中，DC/DC跟踪柴油发电机输出电流值来决定超级电容节能装置的工作状态，当柴油发电机组电流值大于设定的放电电流值时，超级电容放电。当柴油发电机组输出电流小于设定的充电电流值时，超级电容进入充电状态。如图3所示。

5 实现结果

综上分析，超级电容发挥了以下的作用：首先是取消了能耗电阻，而更具有意义的是，超级电容保存了所有机构反馈的能量，避免了反馈能量的白白损耗，同时在荷载突增的情况下（起升瞬间）提供补充能量，平稳发动机工作状态，达到节能的目的。

参考文献：

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[2] 孟丽因.超级电容器组及能量管理系统[J].辽宁工学院学报，2005，25（2）：71-74.

[3] 李晓娜.超级电容器在变电站直流系统中的应用[J].宁夏电力，2008（5）：16-19.

[4] 王雪迪，杨中平.超级电容在城市轨道交通中改善电网电压的研究[J].电气传动，2009，39（3）：77-80.

超级电容器篇7

这一期我们就将揭晓谜底了，来看看超级电容的优缺点吧！

优点连连看

从上一期讲述的电容器机理我们可以看到，任何电容器的充放电都是物理过程，仅仅发生自由电荷在极板上和外电路中的流动，而不需要像电池那样在两个极板上和极板之间的电解质里发生化学反应。这使得电容器的充放电速度比电池高若干个数量级。高速充放电除了使得新闻中常常报道的快速充电成为可能之外，还可以在短时间内提供相当大的供电功率，这点也是电池力所不能及的。事实上，电池车的一个老大难问题就是汽车在启动或者爬坡的时候，发动机短时间内需要相当大的输出功率，而电池很难满足这点。由于物理过程相比化学过程的可逆性要好，电容器的使用寿命、充放电效率相对于电池来说也具有显著的优越性。

超级电容也同样具备这些优点。超级电容器的充放电电流可以很大。这一方面使得超级电容可以在极短时间，比如几分钟甚至十几秒内完成大部分充电过程。在超级电容器的报道中，常常强调这一快速充电能力来吸引读者的眼球——现有锂电池动辄需要几个小时甚至十几个小时的充电时间，相比之下真是犹如龟速了。其次，大的充放电电流带来大的输入输出功率。这使得超级电容特别适合于跟别的直流电机、电源或者电池配合使用，用于启动、爬坡、刹车等需要瞬间提供高功率输出或者高功率储能的场合。这些场合上超级电容的应用可以省去大功率电源或者繁琐的变压装置的配置，能有效降低总的系统成本。这个特性也是目前最有利于超级电容应用的一个特性。

此外，超级电容器的正常充放电过程不发生化学反应，而电池则恰好相反，充放电都要依赖于电化学过程。这同样为超级电容带来两个明显的优势。一方面我们知道，实际发生的任何化学反应的可逆性都不可能是100%，因而蓄电池每一次使用，都会造成电池内部的化学物质发生一点不可逆的变化，因而电池的寿命减少，容量减小。通常电池充放电几百到几千个周期后，容量的衰减就会严重到已经没有实用价值。而超级电容中发生的物理过程理论上可以有100%的可逆性，实际上也可以在几万甚至十几万个周期内正常使用。如果苹果能用上超级电容，到时候抱怨电池老化用不了多久的声音就会减少许多了。

另一方面，化学过程遵守阿伦尼乌斯方程，反应速率随着温度的指数函数变化。这使得电池只能工作在比较狭窄的工作区间内。在温度过高时电池可能因为放电过快而过热，导致电池毁坏，乃至起火，最严重的情况下还可能引起爆炸——手机电池爆炸伤人的新闻近年来时有报道。在温度过低时电池则不能正常放电，提供不了足够的电源给外部。在高纬度寒冷地区这点常常造成电器不能正常使用，例如在东北或者北欧、加拿大。而超级电容器依靠的物理过程受影响则相对小得多，可以正常使用的温度范围也就比电池要宽许多。热带沙漠的酷暑或者地球三极的严寒，都不足以造成阻碍。

和传统电容相比，超级电容或者说双电层电容还有一个额外的好处。当充电电压高于击穿电压时，传统电容的两极板之间的电介质发生由绝缘体向导体的转变，阻抗急剧下降，放电电流失控增大。这时很容易在瞬间发生短路、过热甚至起火、电击等各种事故。而双电层电容被充电时，如果电压高于电解质的分解电压，则是电解质发生电解，电容器的内阻非常大，不会发生此类事故，为操作者提供充足的操作时间来避免事故发生。这就好像气球内部压力过大时整个气球会砰的一声炸成碎片，而活性炭储气就不会发生同样的问题。

也不是十全十美

事物都早有着两面件的，超级电容和电池相比，也同样有着明显的缺点。目前，超级电容最大的缺点就是——其储能密度仍然明显偏低。即使性能最好的超级电容，实际可用的储能密度也只有锂电池的几分之一。由于电解质和极板较重，单位重量的超级电容储能和锂电池相比更少。锂电池车充电一次可以跑200公里，结构类似的超级电容车则跑不到20公里就电力耗尽必须重新充电了。

此外，超级电容能提供的电压受到电解质分解电压的限制，一般都比较低，在需要高电压的场合表现不利。而且超级电容的放电电压正如我们前面看到的，会随着放电过程的进行明显降低。这使得超级电容也不能用于对电压稳定性要求高的场合。另一方面，超级电容的制造加工工艺仍未成熟，大规模生产和应用的成本较高。最后，液态电解质的超级电容器仍然是主流，电解液的泄漏对于环境是个潜在的危险因素——尽管并不比同样使用液态电解质的铅酸电池等传统蓄电池更危险。

超级电容器篇8

发展新能源，是破除能源资源瓶颈制约、保证能源安全的迫切需要，对于贯彻落实科学发展观、努力实现经济社会全面协调可持续发展，具有重大现实和深远意义。高能镍碳超级电容器技术是自主创新的重大科研成果，在新能源汽车和其他领域具有广泛的应用前景。我们要在已有成果的基础上，积极推动产业化生产和大规模应用，开创我国新能源汽车发展的新局面。

代表国家发改委对超级电容器研发取得突破性进展表示祝贺。开发新能源、提高能源转化使用效率，是保障能源安全的重要手段。超级电容器的成功研制，将增强我国在动力电源和新能源汽车等领域的国际竞争力。国家发改委要给予政策支持，进一步做好服务，促进科研成果实现产业化。

会上，市科委主任作超级电容产品及应用，介绍了产品研况，鉴定会专家组组长、中国工程院院士俞梦孙介绍了产品鉴定情况。参观了产品展示、试乘超级电容车辆。

超级电容器篇9

电容器是一种容纳电荷的器件．实际上任何2个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器．静电场及其理论中的电容器这一知识点，学生在高中已有所接触，又在大学课堂讲授，学生会有重复感．但电容器及其理论是学生特别是电类专业学生专业理论的重要基础知识，对电容器及其理论的讲解，须对照文献[1]的要求，使学生达到理解电容的概念，掌握电容器的储能公式，能计算典型电容器的电容，了解电容器的应用等基本要求[1]．电容器及其理论知识点，其地位和作用主要体现在知识体系的前后联系，以及在讨论静电场能量的分析上．这个知识点应该放在更加突出的位置，主要有2方面的原因：

（1）以电类专业学生的知识结构为例，电容器及其理论是学生后续课程（如电路、电子技术、电工学、自动控制原理等课程）的基础．将这个知识点放在比较突出的位置，能够促进基础课与专业基础课和专业课的紧密衔接．

（2）电容器及其理论在工程技术领域中，应用十分广泛，其理论自身不断更新，电容器的制作技术不断提高，如新能源器件中超级电容器技术的发展[2]．将这个知识点放在比较突出的位置，营造相应工程教育情境，能够引导学生理论联系实际，帮助学生以工程和实践应用的视角来学习这个知识点．

2电容器及其理论知识点工程教育情境的营造

电容器及其理论如果直接按部就班讲授给学生，虽然能够使学生理解电容的概念，掌握电容器的储能公式等，实现教学基本要求，但为了避免给学生带来与中学知识重复的感觉，在讲解时恰当融入工程教育素材，构造工程应用情境，以其新奇激发学生对该问题的学习兴趣，在实现教学基本要求的同时，实现对学生工程意识、实践意识的培养．

2.1典型电容器工程教育情境的营造典型电容器包括平行板电容器、同轴柱形电容器、同心球形电容器3种，比较容易计算出它们的电容．

2.1.1平行板电容器在电子工程中有很多元器件，其本质就是一种平板电容器，或者可以视为是由平行板电容器为基本单元组成的系统．例如：收音机中的同轴双联空气可变电容器（双联）就是典型的一例．为了配合讲解，利用多媒体图文展示不同历史时期收音机中的空气可变电容器的实物．通过融入这样的工程技术素材，学生看到了平行板电容器的实物结构，感受到了技术的变迁和升级，了解了双联器件在收音机工作中所起到的调频或调幅作用．

2.1.2轴柱形电容器它是电子线路中最常见的一种电子元器件．为了说明它的广泛应用和功能，借助多媒体图文，展示了多幅电路图和生活中众多电器内部实物结构图．以圆柱形铝电解电容器为例讲解，在完成基础理论讲解的同时，展示出基础理论与实际工程技术之间的联系和差距．在教科书中一般只推理了真空条件下同轴柱形电容器的电容公式，但在讲解时，展示了电容器的制造工艺，并通过举例来探讨提高电容值的途径，这就为知识的讲解营造了丰富的工程教育情境．

2.1.3同心球形电容器很难直接从工程应用中找到其相应的素材．在讲授时引用了“地球是一个异常巨大的电容器”的观点[3]：高温高压下的地核视为正极，它具有惊人的密度；而将地幔层与地壳之间的结构视为负极，这样就可以把地球看成是一个正极在球心、负极在球壳处异常巨大的电容器．

超级电容器篇10

这些报道所指向的，是同一项新能源技术：超级电容。随着移动电子设备越来越多，普通民众对于这样的技术也越来越关注了。

原理很难懂，但还是要说

电子电路中有三种基本构成，电容就是其中之一。将两个可以带电的导体极板中间用一层不导电的绝缘体隔开，我们就得到了一个最简单的电容。

电容是可以充放电的。当电容的两个极板分别接到一个直流电源的两极时，电路中的电子就会发生流动，两个极板会带上相反的电荷，这些电荷导致两个极板之间出现一个电势差，其方向和外加电势相反。随着电荷的积累，电容的两个极板之间的电势差越来越高，最终和外加电势相等，此时电荷就不再发生定向流动，电容充电完成。

如果把已经充上电的外加电源去掉，由于电容的两个极板之间被绝缘体分隔，两个极板上的电荷也就不会互相中和，而是会保留在电极上，同时也就使得上述的反向电势差被保留下来。这时用一个导电回路把电容的两个极板重新连接，电荷就会从电容的正极通过外电路流向电容的负极，发生放电现象。电容的所有功能，都建立在这种充放电过程的基础上。利用这种过程，电容可以改变电路的输入或者输出特性，也可以用于储能。

很不幸的是，电容器作为储能装置由于其本身的特性，有个致命的缺点……

在整个充放电过程中，电容的极板上的电荷和电势差是成比例的，这个比例系数我们称为电容的电容量c，其国际单位为法拉，记为F。一个电容量为一法拉的电容，极板上带电一库仑的时候，两极板之间的电势差也恰好为一伏特。通过简单的微积分计算可以知道，如果充电完成的时候电容两极的电势差（也叫电压）为U，那么电容器中储存的电能E就等于U的平方乘以C除以2。因此，电压越高，电容器中储存的能量越大。

这个电压并不能一直上升，而是有一个极限。我们把这个极限称为击穿电压，其大小由两个极板之间的绝缘体的性质决定。一旦电容器两极板之间的电压超过了击穿电压，绝缘体也会导电，电流将会直接通过它从正极流向负极。这时，一般的电容往往会发生剧烈的放电现象，发热、发光、出现电火花。秋天穿毛衣的人想必会对脱毛衣时那些噼噼啪啪的声响和小小的电火花有着深刻的记忆一尤其是被它们打到身上带来的那一阵痛感。雷雨天的闪电事实上也是一种电容的击穿放电现象，闪电的两端就是一个巨大电容的两极。

作为一种储能装置的电容，其储能能力是由其电容量和击穿电压决定的。击穿电压越高，电容量越大，电容的储能能力也就越强。当然，同样结构的电容越大，电容量也就越大。要衡量一种电容器的储能能力，我们需要用其单位体积的储能量来衡量。单位体积的电容器所能储存的最大电能，我们称之为这种电容的储能密度。它等于电容器的电容除以电容器的体积，再乘以击穿电压的平方。

我们在电子电路中常见的电容器，其电容值都很小，最常用的单位是微法（μF），也就是0.000001法拉。其体积一般在零点几个立方厘米。大型电容的外壳等部分所占的比例小，储能密度会略有提升，但显然，这种电容的储能密度是很可悲的。要靠这样性能的电容来取代电池作为储能装置，我们用的手机非得带上一个书包大小的电容匣子不可……想象一下背上背着一个电容包用手机的生活？因此，尽管人类历史上自第一个人造电容就是用于储存电能的莱顿瓶，但是在电气时代里，人们对于电容的储能功能并不太重视，也很少用到——要储存电能，小的有电池，大的有储能电站、飞轮，储能电容器根本无用武之地。

历史不长，但越来越重要

1972年，专门研究未来学的罗马俱乐部发出了他们的第一份报告，即在全球引起轩然大波的《增长的极限》。该报告指出，人类工业社会所使用的化石能源是有限的，在未来将会枯竭。同时，过度使用化石能源还会带来温室效应，威胁人类的生存。随后1 973年石油危机的爆发进一步加重了人们对于能源问题的担忧。

除了开发利用新的天然能源外，提高能源利用率的储能装置和电池也成为了重要的研究方向。随着电池的应用日渐增多，电池在性能上的天然不足也越来越明显。在这样的情况下，自1983年日本NEC公司推出第一款超级电容商品之后，超级电容作为一种新的储能装置，再次出现在人们的视野中。

其实，超级电容的模型早在1957年就出现了。所利用的原理更是早在1853年就已经出现最早的理论模型：溶液双电层现象。从原理上说，超级电容其实应该叫做双电层电容。

在电解质溶液中，如果在电极表面施加一个没有超过电解质分解电压的电势，那么电解质中的正离子和负离子会由于外加电势的影响出现重新排布，形成一个反向电势分布来平衡外加电势。这种重新排布的程度和电势分布成指数关系，很小的电势变化就能引起空间电荷密度很大的变动。由于这种电荷密度变化对电势变化的敏感性，上述平衡只需要很短的距离——几个到几十个纳米就能完成。这意味着电能几乎是“贴在”超级电容的电极表面，也就是说超级电容的电容介质厚度可以非常薄。通过特殊的制造技术，单位体积内超级电容的电极表面积可以非常大，电容量也就相应很高——可以比传统电容器高出六七个数量级。尽管电解质的分解电压通常远远低于传统电容中绝缘介质的击穿电压，最后超级电容总的储能密度较传统电容器仍然也可以高出三到四个数量级。

做一个形象比喻的话，传统电容储存电能的方式就像是用一个气球装气体，超级电容则就像是用一团内部布满了沟回和皱褶的“活性炭”，把气体吸附在表面上。气球内部的压力比活性炭内部高得多，但是活性炭在单位体积内却可以吸附更多的气体。