中心議題：

• 超級電容器的原理
• 超級電容器的特點
• 超級電容器的分類
• 超級電容器的應用

1 超級電容器的原理

超chao級ji電dian容rong也ye稱cheng電dian化hua學xue電dian容rong
，與yu傳chuan統tong靜jing電dian電dian容rong器qi不bu同tong，主zhu要yao表biao現xian在zai儲chu存cun能neng量liang的de多duo少shao上shang。作zuo為wei能neng量liang的de儲chu存cun或huo輸shu出chu裝zhuang置zhi，其qi儲chu能neng的de多duo少shao表biao現xian為wei電dian容rong量liang的de大da小xiao。根gen據ju超chao級ji電dian容rong器qi儲chu能neng的de機ji理li
，其qi原yuan理li可ke分fen為wei：

1）在電極P 溶液界麵通過電子和離子或偶極子的定向排列所產生的雙電層電容器。

雙電層理論由19 世紀末H elm h otz 等提出。關於雙電層的代表理論和模型有好幾種，其中以H elm h otz moxingzuiweijiandanqienenggouchongfenshuomingshuangdiancengdianrongqidegongzuoyuanli。gaimoxingrenweijinshubiaomianshangdejingdianhejiangcongrongyezhongxishoubufenbuguizedefenpeilizi，shitamenzaidianjiP 溶(rong)液(ye)界(jie)麵(mian)的(de)溶(rong)液(ye)一(yi)側(ce)
，離(li)電(dian)極(ji)一(yi)定(ding)距(ju)離(li)排(pai)成(cheng)一(yi)排(pai)，形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)電(dian)荷(he)數(shu)量(liang)與(yu)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)剩(sheng)餘(yu)電(dian)荷(he)數(shu)量(liang)相(xiang)等(deng)而(er)符(fu)號(hao)相(xiang)反(fan)的(de)界(jie)麵(mian)層(ceng)。於(yu)是(shi)，在(zai)電(dian)極(ji)上(shang)和(he)溶(rong)液(ye)中(zhong)就(jiu)形(xing)成(cheng)了(le)兩(liang)個(ge)電(dian)荷(he)層(ceng)，這(zhe)就(jiu)是(shi)我(wo)們(men)通(tong)常(chang)所(suo)講(jiang)的(de)雙(shuang)電(dian)層(ceng)。雙(shuang)電(dian)層(ceng)有(you)儲(chu)存(cun)電(dian)能(neng)量(liang)的(de)作(zuo)用(yong)，電(dian)容(rong)器(qi)的(de)容(rong)量(liang)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)以(yi)下(xia)公(gong)式(shi)來(lai)計(ji)算(suan)：

式中，E為電容器的儲能大小

；C為電容器的電容量；V 為wei電dian容rong器qi的de工gong作zuo電dian壓ya。由you此ci可ke見jian，雙shuang電dian層ceng電dian容rong器qi的de容rong量liang與yu電dian極ji電dian勢shi和he材cai料liao本ben身shen的de屬shu性xing有you關guan。通tong常chang為wei了le形xing成cheng穩wen定ding的de雙shuang電dian層ceng，一yi般ban采cai用yong導dao電dian性xing能neng良liang好hao的de極ji化hua電dian極ji。

2） 在電極表麵或體相中的二維與準二維空間，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附、脫附或氧化還原反應
，產生與電極充電電位有關的法拉第準電容器。

zaidianhuoxingwuzhizhong，suizhecunzaiyufaladidianhechuandihuaxuebianhuadedianhuaxueguochengdejinxing，jihuadianjishangfashengqiandianweichenjihuofashengyanghuahaiyuanfanying，chongfangdianxingweileisiyudianrongqi，erbutongyuercidianchi，butongzhichuwei：

（1）極化電極上的電壓與電量幾乎呈線性關係；

（2）當電壓與時間成線性關係d V/d t=K時，電容器的充放電電流為一恒定值I=Cd V/d t=CK.此過程為動力學可逆過程，與二次電池不同但與靜電類似。法拉第電容和雙電層電容的區別在於：雙電層電容在充電過程中需要消耗電解液，而法拉第電容在整個充放電過程中電解液的濃度保持相對穩定。

法fa拉la第di準zhun電dian容rong不bu僅jin在zai電dian極ji表biao麵mian產chan生sheng
，而er且qie還hai可ke以yi在zai電dian極ji內nei部bu產chan生sheng
，其qi最zui大da充chong放fang電dian能neng力li由you電dian活huo性xing物wu質zhi表biao麵mian的de離li子zi取qu向xiang和he電dian荷he轉zhuan移yi速su度du控kong製zhi，因yin此ci可ke以yi在zai短duan時shi間jian內nei進jin行xing電dian荷he轉zhuan移yi，即ji可ke以yi獲huo得de更geng高gao的de比bi功gong率lv（比功率大於500W /kg ）。

2 超級電容器的特點

超chao級ji電dian容rong器qi具ju有you優you良liang的de脈mai衝chong充chong放fang電dian和he大da容rong量liang儲chu能neng性xing能neng
，單dan體ti容rong量liang已yi經jing達da到dao萬wan法fa拉la級ji是shi一yi種zhong介jie於yu靜jing電dian電dian容rong器qi與yu電dian池chi之zhi間jian的de儲chu能neng元yuan件jian。與yu普pu通tong電dian容rong器qi和he電dian池chi相xiang比bi，超chao級ji電dian容rong器qi具ju有you許xu多duo電dian池chi無wu法fa比bi擬ni的de優you點dian。

1）具有極高的功率密度。電容器的功率密度為電池的10~100倍
，可達到10kW /kg 左右
，可以在短時間內放出幾百到幾千安培的電流。這個特點使得超級電容器非常適合用於短時間高功率輸出的場合。

2）充電速度快。超級電容器充電是雙電層充放電的物理過程或是電極物質表麵的快速
、可(ke)逆(ni)的(de)化(hua)學(xue)過(guo)程(cheng)，可(ke)采(cai)用(yong)大(da)電(dian)流(liu)充(chong)電(dian)，能(neng)在(zai)幾(ji)十(shi)秒(miao)到(dao)數(shu)分(fen)鍾(zhong)內(nei)完(wan)成(cheng)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)，是(shi)真(zhen)正(zheng)意(yi)義(yi)上(shang)的(de)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)。而(er)蓄(xu)電(dian)池(chi)則(ze)需(xu)要(yao)數(shu)小(xiao)時(shi)完(wan)成(cheng)充(chong)電(dian)
，采(cai)用(yong)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)也(ye)需(xu)要(yao)幾(ji)十(shi)分(fen)鍾(zhong)。

3）使用壽命長。超級電容器充放電過程中發生的電化學反應都具有良好的可逆性
，不易出現類似電池中活性物質那樣的晶型轉變、脫落

、枝晶穿透隔膜等一係列的壽命終止現象，碳極電容器理論循環壽命為無窮大， 實際可達100000 次以上
，比電池高10 ~100倍。

4）diwenxingnengyouyue。chaojidianrongchongfangdianguochengzhongfashengdedianhezhuanyidabufendouzaidianjihuoxingwuzhibiaomianjinxing，suoyirongliangsuiwendushuaijianfeichangxiao。dianchizaidiwenxiarongliangshuaijianfuduquekegaoda70% 。
[page]
3 超級電容器的分類

超級電容的分類有許多不同的方式。

3.1 按采用的電極不同，超級電容可以分為以下3 種：

3.1.1 碳電極電容器：
碳電極電容器的研究曆史較長。19 62 年
，標準石油公司（SOH IO）認識到燃料電池中石墨電極表麵雙層電容的巨大利用價值
，並生產出了工作電壓為6V 的(de)以(yi)碳(tan)材(cai)料(liao)作(zuo)為(wei)電(dian)極(ji)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)。電(dian)容(rong)器(qi)的(de)大(da)小(xiao)和(he)汽(qi)車(che)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)大(da)小(xiao)差(cha)不(bu)多(duo)
，可(ke)以(yi)驅(qu)動(dong)小(xiao)舟(zhou)在(zai)湖(hu)麵(mian)上(shang)行(xing)駛(shi)十(shi)分(fen)鍾(zhong)左(zuo)右(you)。稍(shao)後(hou)，這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)轉(zhuan)讓(rang)給(gei)了(le)日(ri)本(ben)NEC電氣公司，該公司從19 79 niankaishiyizhishengchanchaojidianrongqi，bingjiangzhexiangjishuyingyongyudiandongqichededianjiqidongxitong，kaishiledianhuaxuedianrongqidedaguimoshangyeyingyong。yucitongshi，ribensongxiagongsishejileyihuoxingtanweidianjicailiao，yiyoujirongyeweidianjiezhidechaojidianrongqi。

碳(tan)電(dian)極(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)電(dian)容(rong)大(da)小(xiao)與(yu)電(dian)極(ji)的(de)極(ji)化(hua)電(dian)位(wei)及(ji)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)積(ji)大(da)小(xiao)有(you)關(guan)，故(gu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)極(ji)化(hua)電(dian)位(wei)的(de)升(sheng)高(gao)和(he)增(zeng)大(da)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)積(ji)達(da)到(dao)提(ti)高(gao)電(dian)容(rong)量(liang)的(de)目(mu)的(de)。電(dian)極(ji)P電解質雙電層上可貯存的電量其典型值約為15~40 μF·cm - 2.選用具有高表麵積的高分散電極材料可以獲得較高的電容。

對(dui)理(li)想(xiang)可(ke)極(ji)化(hua)體(ti)係(xi)而(er)言(yan)

，可(ke)通(tong)過(guo)無(wu)限(xian)提(ti)高(gao)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)而(er)大(da)量(liang)儲(chu)存(cun)能(neng)量(liang)。但(dan)是(shi)
，對(dui)於(yu)實(shi)際(ji)體(ti)係(xi)卻(que)受(shou)電(dian)極(ji)材(cai)料(liao)和(he)電(dian)解(jie)液(ye)組(zu)成(cheng)的(de)電(dian)極(ji)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)極(ji)化(hua)性(xing)和(he)溶(rong)劑(ji)分(fen)解(jie)的(de)限(xian)製(zhi)
，可(ke)通(tong)過(guo)加(jia)大(da)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)積(ji)來(lai)增(zeng)加(jia)電(dian)容(rong)值(zhi)。電(dian)容(rong)C 可由下式給出：

式中：ε0 為自由空間的絕對介電常數
，ε為電導體和內部H elmhotz 麵間區域的相對介電常數，A 為電極表麵積，d 為導體與內H elmhotz 麵之間的距離。近年來研究主要集中在提高碳材料的表麵積和控製碳材料的孔徑及孔徑分布
，並開發出許多不同類型的碳材料，主要有： 活性碳粉
、活性炭纖維、碳氣凝膠
、碳納米管等。

3.1.2 貴金屬氧化物電極電容器：
對貴金屬氧化物電極電容器的研究，主要采用RuO2，IrO2dengguijinshuyanghuawuzuoweidianjicailiao。youyudianjidedaodianxingbitandianjihao，dianjizailiusuanzhongwending，keyihuodegenggaodebinengliang
，zhibeidedianrongqibitandianjidianrongqijuyougenghaodexingneng，yincijuyouhenhaodefazhanqianjing。danshi，youyuRuO2 貴金屬的資源有限
、價格昂貴限製了它的使用。以RuO2·nH 2O無定型水合物作電極
，5.3mol·L-1H2SO4 作電解液所製得的電容器比電容能達到700F·g - 1;而以無定型水合物MnO2·nH2O作電極
，2m ol·L- 1KCl水溶液作電解液所製得的電容器比電容也可達到200F·g - 1.但比較而言，因為在中性KCl水溶液中材料比較穩定
，不發生化學副反應，以KCl水溶液作電解液適用於多種電極材料。以RuO2作為電極材料的研究主要集中在電極製備方法上。

3.1.3 導電聚合物電極電容器：
導(dao)電(dian)聚(ju)合(he)物(wu)電(dian)極(ji)電(dian)容(rong)器(qi)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)電(dian)容(rong)器(qi)
，具(ju)有(you)高(gao)性(xing)能(neng)和(he)比(bi)貴(gui)金(jin)屬(shu)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)更(geng)優(you)越(yue)的(de)電(dian)性(xing)能(neng)。可(ke)通(tong)過(guo)設(she)計(ji)選(xuan)擇(ze)相(xiang)應(ying)聚(ju)合(he)物(wu)的(de)結(jie)構(gou)，進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)聚(ju)合(he)物(wu)的(de)性(xing)能(neng)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)。

導電聚合物電極電容器可分為3 種類型：對稱結構--電容器中兩電極為相同的可p型摻雜的導電聚合物（如聚噻吩）；不對稱結構--兩電極為不同的可進行p型摻雜的聚合物材料（如聚吡咯和聚噻吩）

；導電聚合物可以進行p型和n 型摻雜，充電時電容器的一個電極是n型摻雜狀態而另一個電極是p 型摻雜狀態，放電後都是去摻雜狀態，這種導電聚合物電極電容器可提高電容電壓到3V，而兩電極的聚合物分別為n 型摻雜和p 型(xing)摻(chan)雜(za)時(shi)，電(dian)容(rong)器(qi)在(zai)充(chong)放(fang)電(dian)時(shi)能(neng)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)溶(rong)液(ye)中(zhong)的(de)陰(yin)陽(yang)離(li)子(zi)，結(jie)果(guo)它(ta)具(ju)有(you)很(hen)類(lei)似(si)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)放(fang)電(dian)特(te)征(zheng)
，因(yin)此(ci)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)最(zui)有(you)發(fa)展(zhan)前(qian)景(jing)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)電(dian)容(rong)器(qi)。研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)主(zhu)要(yao)集(ji)中(zhong)在(zai)尋(xun)找(zhao)具(ju)有(you)優(you)良(liang)摻(chan)雜(za)性(xing)能(neng)的(de)導(dao)電(dian)聚(ju)合(he)物(wu)
，提(ti)高(gao)聚(ju)合(he)物(wu)電(dian)極(ji)的(de)放(fang)電(dian)性(xing)能(neng)
、循環壽命和熱穩定等方麵。

3.2 按儲存電能的機理，超級電容器可分為以下2種：

一種是“雙電層電容器”，其電容的產生主要基於電極P電解液上電荷分離所產生的雙電層電容，如碳電極電容器；另一種則被稱為“法拉第準電容”，youguijinshuheguijinshuyanghuawudianjidengzucheng，qidianrongdechanshengshijiyudianhuoxinglizizaiguijinshudianjibiaomianfashengqiandianweichenji，huozaiguijinshuyanghuawudianjibiaomianjitixiangzhongfashengdeyanghuahaiyuanfanyingerchanshengdexifudianrong，gaileidianrongdechanshengjizhiyushuangdiancengdianrongbutong
，bingbansuidianhechuandiguochengdefasheng，tongchangjuyougengdadebidianrong。

3.3 根據超級電容器的結構及電極上發生反應， 又可分為以下2種：

ruguolianggedianjidezuchengxiangtongqiedianjifanyingxiangtong
，fanyingfangxiangxiangfan，zebeichengweiduichengxing。tandianjishuangdiancengdianrongqi，guijinshuyanghuawudianrongqijiweiduichengxingdianrongqi。ruguoliangdianjizuchengbutonghuofanyingbutong
，zebeichengweifeiduichengxing，youkeyijinxingn型和p 型摻雜的導電聚合物作電極的電容器即為非對稱型電容器
，其性能表現形式更接近蓄電池
，表現出更高的比能量和比功率。

3.4 根據超級電容器的電解質來分
，又可分為以下2種：

超級電容器的最大可用電壓由電解質的分解電壓所決定。電解質可以是水溶液（如強酸或強堿溶液）也可是有機溶液（如鹽的質子惰性溶劑溶液）。用水溶液體係可獲得高容量及高比功率（因為水溶液電解質電阻較非水溶液電解質低，水溶液電解質電導為10- 1~10- 2S·cm - 1，而非水溶液體係電導則為10- 3~10- 4S·cm - 1）選用有機溶液體係則可獲得高電壓（因為其電解質分解電壓比水溶液的高

，有機溶液分解電壓約3.5V，水溶液則為1.2V），從而也可獲得高的比能量。
[page]
4  超級電容的應用

超級電容器產品雖然問世不久而且相對較少
，但由於它具有特殊的優點
，在許多領域獲得應用，其前景是十分光明的。

4.1 混合型電動車的加速或啟動電源
由Maxwell Technolog ies公司生產的Power Cache超級電容器，已由通用汽車公司AllisONTransm ission Division組成並聯混合電源係統和串聯電源係統用在貨車和汽車上。Allison期望Maxwell超級電容有6年以上的使用壽命。跟相應的蓄電池組比起來，超級電容的儲能裝置重量隻有前者的1/3，體積隻有前者的1/2.

ISE Resarch - Th und er Volt公司也將Parer Cach e 超級電容器用於其新開發的重型混合電力推進係統Th und er Pack.該係統是將149 個Maxwell的PC2500超級電容器裝到一個用風扇冷卻的鋁套內。每個貯能堆可以貯存或釋放150kW 的電力，雙連體可達到300kW 
，完全滿足了大型汽車或卡車加速時的需求。第一個Th und er堆交給拉斯維加斯的Nevada大學做混合動力車試驗。

將蓄電池與超級電容結合起來，他們的優點可以互補

，成為一個極佳的貯能係統。Maxwell公司和Exid e 公司聯合開發這一組合係統，用於卡車低溫起動、中型和重型卡車、陸上和地下的軍事用車，它在大電流以及高低溫條件下工作，都會有很長的壽命。

4.2 優秀的貯能裝置
現xian有you超chao級ji電dian容rong器qi產chan品pin
，它ta不bu僅jin已yi經jing用yong作zuo光guang電dian功gong能neng電dian子zi表biao和he計ji算suan機ji貯zhu存cun器qi等deng小xiao型xing裝zhuang置zhi電dian源yuan
，而er且qie還hai可ke以yi用yong於yu固gu定ding電dian站zhan。在zai邊bian遠yuan缺que電dian地di區qu，超chao級ji電dian功gong容rong器qi可ke以yi和he風feng力li發fa電dian裝zhuang置zhi或huo太tai陽yang能neng電dian池chi組zu成cheng混hun合he電dian源yuan，使shi無wu風feng或huo夜ye間jian也ye可ke以yi提ti供gong足zu夠gou的de電dian源yuan。衛wei星xing上shang使shi用yong的de電dian源yuan多duo是shi由you太tai陽yang能neng電dian池chi與yu鎘ge鎳nie電dian池chi組zu成cheng的de混hun合he電dian源yuan
，一yi旦dan裝zhuang上shang了le超chao級ji電dian容rong器qi，那na麼me衛wei星xing的de脈mai衝chong通tong訊xun能neng力li一yi定ding會hui得de到dao改gai善shan。此ci外wai

，由you於yu它ta具ju有you快kuai速su充chong電dian的de特te性xing，那na麼me相xiang對dui於yu電dian動dong玩wan具ju這zhe種zhong需xu要yao快kuai速su充chong電dian的de設she備bei來lai說shuo，無wu疑yi是shi一yi個ge理li想xiang電dian源yuan。

4.3 USP係統和應急電源
當今的USPxitongdaduoshiyongqianxudianchizuoweidiannengcunchuzhuangzhi。youyutadechongdianjieshounengliyuanburuchaojidianrongqi，zaipinfantingdiandeqingkuangxiashiyongshi，jiuhuiyinweichangqichongdianbuzuershidianchiliusuanyanhua，congersuoduanshiyongshouming。

chaojidianrongqikeyizaishufenzhongzhineichongzudian
，jiuwanquanbuhuishoupinfantingdiandeyingxiang。ciwai，zaimouxieteshuqingkuangxia
，chaojidianrongqidegaogonglvmidushuchutexing，huishitachengweilianghaodeyingjidianyuan。liruzailiangangchangdegaolulengqueshuishibuyunxuzhongduande
，doubeiyouyingjishuibengdianyuan。yidantingdian，chaojidianrongqikeyilijitigonghengaodeshuchugonglvqidongchaiyoufadianjizu，xianggaoluheshuibenggongdian
，quebaogaoluanquanshengchan。

4.4 軍事領域大有作為

美國軍方對超級電容器用於重型卡車、裝甲運兵車及坦克很感興趣。Maxwell公司正在向Osh kosh 汽車公司提供的PowerCach e 超級電容器，為美國軍方製造H EMTT LMS概念車。所用的動力就是該公司生產的Pro Pulse混合電力推進係統。

激光探測器或激光武器需要大功率脈衝電源；若(ruo)為(wei)移(yi)動(dong)式(shi)的(de)
，就(jiu)必(bi)須(xu)有(you)大(da)功(gong)率(lv)的(de)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)或(huo)大(da)容(rong)量(liang)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)
，而(er)其(qi)重(zhong)量(liang)和(he)體(ti)積(ji)會(hui)使(shi)激(ji)光(guang)武(wu)器(qi)的(de)機(ji)動(dong)性(xing)大(da)大(da)降(jiang)低(di)。超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)可(ke)以(yi)高(gao)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)並(bing)可(ke)在(zai)很(hen)短(duan)時(shi)間(jian)內(nei)充(chong)足(zu)電(dian)
，顯(xian)然(ran)是(shi)一(yi)個(ge)極(ji)佳(jia)的(de)電(dian)源(yuan)。

用超級電容器對氫能燃料電池進行補償是其在軍事領域一個很重要的應用。

PEMFC 發電技術以其高效、清潔
、重量輕
、體積小、工作溫度低等優點，在人防指揮工程中有著極其廣闊的應用前景。但是無論采取哪種供電方式
，都必須將PEMFC發電機發出的不穩定直流電變換為穩定的直流電，才能供給負載或逆變器使用。而PEMFC發電機的動態特性在發生負載突增時表現出明顯的電壓瞬時跌落
，使後續的DC/DC和DC/AC發生保護而無法正常工作。采用超級電容器對PEMFC發電機的動態特性進行補償，可以去掉突增負載時的電壓跌落尖峰，改善發電機的動態輸出性能，為後續的直流負載和DC/AC提供穩定的直流電壓。