什么是超級(jí)電容器？超級(jí)電容器與鋰電池相比哪些優(yōu)缺點(diǎn)？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-22 10:33
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一、法拉第準(zhǔn)電容
電阻其理論模型是由Conway首先提出，是在電極表面和近表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。
對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過(guò)程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子（如H+、OH-、K+或Li+）在外加電場(chǎng)的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時(shí)，會(huì)通過(guò)界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲(chǔ)在電極中。
放電時(shí)，這些進(jìn)入氧化物中的離子又會(huì)通過(guò)以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時(shí)所存儲(chǔ)的電荷通過(guò)外電路而釋放出來(lái)，這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。
二、雙電層電容
是在電極/溶液界面通過(guò)電子或離子的定向排列造成電荷的對(duì)峙而產(chǎn)生的。對(duì)一個(gè)電極/溶液體系，會(huì)在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)后，溶液中的陰、陽(yáng)離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場(chǎng)后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。
這時(shí)對(duì)某一電極而言，會(huì)在一定距離內(nèi)（分散層）產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當(dāng)將兩極與外電路連通時(shí)，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。
超級(jí)電容的用途
超級(jí)電容學(xué)名是電子雙層電容【EDLC】，與傳統(tǒng)的同樣具有很高電容值的納米介質(zhì)電容不同的是，超級(jí)電容沒(méi)有采用傳統(tǒng)的固態(tài)的電解質(zhì)。超級(jí)電容的能量密度大于普通電容，小于鋰電池。它的功率密度小于普通電容，大于鋰電池。
超級(jí)電容器又叫雙電層電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置，它具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn);超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域有：
1、稅控機(jī)、稅控加油機(jī)、真空開(kāi)關(guān)、智能表、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、儀器儀表、數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦、電子門(mén)鎖、程控交換機(jī)、無(wú)繩電話等的時(shí)鐘芯片、靜態(tài)隨機(jī)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、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(dòng)電源；
3、太陽(yáng)能警示燈，航標(biāo)燈等太陽(yáng)能產(chǎn)品中代替充電電池；
4、手搖發(fā)電手電筒等小型充電產(chǎn)品中代替充電電池；
5、電動(dòng)玩具電動(dòng)機(jī)、語(yǔ)音IC、LED發(fā)光器等小功率電器的驅(qū)動(dòng)電源。超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)電容器和蓄電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置，它具有功率密度大、容量大、使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
超級(jí)電容器局限
超級(jí)電容器在使用過(guò)程中并非每一個(gè)方面都是優(yōu)越的，這就要求在運(yùn)用超級(jí)電容器時(shí)能熟練掌握該裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。受到制造技術(shù)的限制，我國(guó)在使用超級(jí)電容器時(shí)還存在安裝、調(diào)試等方面的不足。不少設(shè)備因盲目使用超級(jí)電容器造成電路故障，影響了整個(gè)設(shè)備性能的發(fā)揮。作為電容器的新產(chǎn)品，超級(jí)電容器呈現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)要顯著大于缺點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：
超級(jí)電容器是普通電容裝置的升級(jí)，在對(duì)早期的電容器實(shí)施了多個(gè)方面的改良。主要優(yōu)點(diǎn)在：①電容量。早期使用的常規(guī)電容器，電容存儲(chǔ)量較小，僅能滿足小負(fù)荷的電路需求；而超級(jí)電容器的電容量級(jí)別可達(dá)到法拉級(jí)，能適合更復(fù)雜的電路運(yùn)行需要。
②電路。超級(jí)電容器對(duì)電路結(jié)構(gòu)的要求較低，不需要設(shè)置特殊的充電電路、控制放電電路，且電容器的使用時(shí)間不會(huì)受到過(guò)充、過(guò)放的影響。③焊接。普通電容器無(wú)法進(jìn)行焊接，在安裝超級(jí)電容器時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行焊接處理，防止了電池接觸不良等現(xiàn)象的發(fā)生，提高了電容器元件的使用性能。
缺點(diǎn)：
通過(guò)對(duì)超級(jí)電容器的性能測(cè)試，筆者發(fā)現(xiàn)這種新型電容器也存在缺點(diǎn)。如：
①泄漏。超級(jí)電容器安裝位置不合理，容易引起電解質(zhì)泄漏等問(wèn)題，破壞了電容器的結(jié)構(gòu)性能。
②電路。超級(jí)電容器僅限于直流電路的使用，這是由于與鋁電解電容器相比，超級(jí)電容器的內(nèi)阻更大，不適合交流電路的運(yùn)行要求。1、 充電速度快，充電5秒～1分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上。
2、 循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬(wàn)次以上，沒(méi)有“記憶效應(yīng)”。電池循環(huán)壽命一般是幾千次。
3、 功率密度高，可達(dá)7000W/KG~11000W/KG，相當(dāng)于電池的5~10倍。
4、 產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。
5、 充放電線路簡(jiǎn)單，無(wú)需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)。
6、 超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃，電池一般是-20℃～+60℃。
缺點(diǎn)
1、 能量密度低：最多10Wh/kg，鋰電池是超級(jí)電容的10-30倍。
2、 電壓低：最高充電電壓非常低，通常只有2.7V左右。這就意味著有的應(yīng)用如果需要高達(dá)100V的電壓（比如電動(dòng)汽車），需要相當(dāng)多這樣的電容串聯(lián)起來(lái)。給18個(gè)同型號(hào)串聯(lián)電容加上48V電壓，由于個(gè)體差異，有些電容上的電壓會(huì)2.7V。那些高于2.7V的電容會(huì)更早失效，降低整個(gè)供電系統(tǒng)的壽命?？梢愿倪M(jìn)的是對(duì)每個(gè)電容單獨(dú)做充放電電路，但這會(huì)顯著增加整個(gè)系統(tǒng)的成本。
3、 自放電大：24小時(shí)跑掉5%以上，72小時(shí)跑掉10%以上，半年后基本上就剩一半的電了。
4、 成本高：每千瓦時(shí)需要2000~5000美元，相比之下鋰電池的成本只有500~1000美元。即使是不在乎體積和重量的應(yīng)用，初期在超級(jí)電容上的投資也是相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。
