超级电容范文精选

还记上一期文末遗留的问题吗？有聪明地推断出来又乖乖地寄回答案并且收到萌萌明信片的读者吗？

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。

“美国中学生发明新型电池，十秒钟充电”“XX大学研究新成果，快速充放电”……这些年来，似乎每隔几十天就有类似的新闻在媒体上出现。尽管报道中的研究者身处天南海北，报道的描述却颇为相似，诸多报道中也几乎从未详细介绍过发明的细节。

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。

在不超过10年的发展时间里，超级电容器已经很成熟了，这种可以贮藏高电荷能量的电化学器件从最初只为直流应用(例如，微波炉或VCR中的时钟电压保持)设计的大容量、低耐压圆柱形器件发展到目前的两大分支：处于实用阶段为混合动力汽车提供电力，并具有很高耐压和法拉容量的电容器和新型小体积、低高度的柱形脉冲超级电容器。

这种新一代脉冲超级电容器具有极低ESR的特点，使得它们可以满足对锂离子电池或标准AA、AAA电池进行涓流充电时，设备工作所需要的瞬时峰值电流。低厚度的设计也使得它们可以被使用在小型电路卡组件(Circuit Card Assembly，CCA)中，并能够满足如便携设备中无线数据传输卡和高密度数据传输设备等对电源的需求。在这些应用中，常需要提供大约主电池输出电流两倍的峰值能量以实现快速的数据传输。

超级电容器正如它的名字一样，可以存储大量的电荷。标准电容器通过极板间的电介质存储电荷。由于电介质内的偶极子排列，电场的建立可以通过极板的电压测得。极板所能保持的电荷越多，电容量就越高，能量存储可以通过公式1／2(c×V2)来计算。此处，C为以法拉为单位的电容，V为以伏特为单位的极板电压。超级电容器也可以产生同样的结果，但它却是通过电荷的大量游离和运动，而不是通过介电质的偶极子排列来存储能量。这种移动相反电荷到分离器不同侧的机制是自然界中的电化学现象，与电池原理非常相似。能量在标准电容器或超级电容器之中能够存储多久将取决于电容器内部的漏电流(如偶极子的释放或电荷的重组)，存储的能量能够被释放得多快取决于器件的内部电阻。

标准电容器技术的研究正集中于新型材料的开发以期改善介电常数、介电质漏电流、内部电阻和耐压能力。同样，对于超级电容器而言，最初的产品是基于高内阻的机电系统，并具有“类电池”的存储电能和放电特征，而新材料的开发已经使低ESR器件成为瞬时放电应用的理想器件。

当在标准电容器中计算偶极子排列所存储的能量时，通常会假定其是纯粹的直流应用环境。但在大多数应用中，需要电容器来传递信号，这就使极板带有交流电压。问题是偶极子的振动怎样能够很好地跟得上传过来的信号频率并不失真呢?或者哪种类型的标准电容器能够适合对应的应用环境?例如，耐压6V，容量高达2200uF，ESR小于50mΩ的钽电容在100kHz～1MHz范围内都有很好的频率响应。这是因为在100kHz时，电容量保持率很高(大约90％)，是SMPS器件宽范围滤波要求的理想选择。陶瓷Ⅱ型材料也适合这个频率范围，虽然电容量相比要低，但ESR会更低(大约100uF／5mΩ)。同时，陶瓷Ⅰ型电介质有非常高的工作频率，特别适合射频应用。对于光学系统，单层器件可以接近10GHz的响应。

同样，超级电容器技术也正在发展以用于更加广泛的领域。这得益于纳米技术(可以用来开发更高表面积的炭叠层)所具有的优点，而最近几年许多令人激动的成果之一就是分离系统中的“质子聚合膜”被引入了电容器制造领域。这种技术有如下优点：

・非常高的直流电容：容量在50mF～IF；

・非常长的电容保持时间：以毫秒为单位的脉冲间隔；

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，武汉 430070）

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。

[摘 要]从储能机理上可以将超级电容器分为超级电容器、法拉第准电容器、混合电容器。其中工业应用最广泛的当属超级电容器。本文阐以超级电容器为例，阐述了超级电容器在可再生能源、工业、交通等领域的应用原理，并展望了超级电容器的应用前景及发展方向。

[关键词]超级电容器 可再生能源应用 工业应用 交通应用

中图分类号：F274；F426.22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0054-02

随着环境污染的日益加剧，需要高效、洁净、绿色、可再生的能源替代传统能源，在使用过程中减少环境污染。同时，各种用于储存能源的装置也逐渐引起人们重视。目前，常用的储存能量装置有铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器等。其中，超级电容器以其优异的充放电寿命、高功率密度、环境友好等特点，得到更为广泛的应用与研究。超级电容器常见的应用领域包括：消费电子、后备电源、电动汽车、可再生能源发电系统、军事装备领域、航空航天等[1]。本文主要从超级电容器的应用角度入手，探讨近年来超级电容器在各方面应用的进展以及新的发展方向。

超级电容器作为产品已日趋成熟，与其他超级电容器相比超级电容器的工艺技术成熟度更优。随着生产工艺的不断进步，其应用范围也得到不断扩展，在工业、消费电子、通信、医疗、国防、军事、交通等领域都有着越来越广泛的应用。从小容量的储能到大规模的电力储能，超级电容器都展示了独特优越的性能，以及超长的充放电寿命[2]。以下分别介绍超级电容器在可再生能源领域、工业领域、交通领域中的应用及原理。

1.可再生能源领域

超级电容器在可再生能源领域的应用主要包括：风力发电变桨距控制，提高风力发电稳定性、连续性，光伏发电的储能装置，以及与太阳能电池结合应用于路灯、交通指示灯等[3]。

1.1.风力发电

摘要： 超级电容， 称为超大容量电容器，又名法拉电容。超级电容以安全节能、新型环保、重复利用性强等显著优势和特点，日益成为各类电子产品电源的主题如汽车音响、电话机、智能家电、电表、税控机、行车记录仪、儿童电动玩具、录音机、节能灯。文章主要介绍超级电容在电子式电能表上作为备份数据电源总体思路，且着重介绍超级电容选型、充电电路设计、PWM调制控制电路和放电电路设计。该设计具有充电能量可调、寿命长、节约器件和人力成本等特点。

Abstract： Super capacitor， also known as Fala capacitor. Super capacitor is safe， energy saving， environmentally friendly and reusable. So it has increasingly become the theme of power supply of all kinds of electronic products such as car audio， telephones， smart appliances， meters， tax control machine， vehicle traveling data recorder， children toys， recorder， and lamps. This paper mainly introduces the general idea of the power supply of the backup data in the electronic energy meter， and introduces the super capacitor selection， charging circuit design， PWM modulation control circuit and discharge circuit design. The design has the characteristics of energy saving， long service life， saving device and human cost.

关键词： 超级电容；电子式电能表；充电电路；PWM控制电路；放电电路

Key words： super capacitor；electronic watt-hour meter；charging circuit；PWM control circuit；discharge circuit

中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0106-03

0 引言

随着科学技术发展，电子式电能表取代机械式电能表已近完成，而电能表作为电能计量标准器具，其数据安全对于国家电网、电力局和终端客户都是最为重要的内容。据不完全统计，1986年以来国内电能表更替数量约10亿只，其中电子式电能表已超过4亿只，亦有4-5亿只迭代需求，另海外有至少5亿只的市场容量，作为电子式电能表的心脏―电源，直接关系到电能表的使用寿命和数据安全。目前绝大多数电子式电能表用锂电池，锂电池本身固有缺陷如不可重复利用，污染环境，废电池不易回收，环境温度过高易发生爆炸等。在此种背景下，电容器的发展逐渐达到法拉级，并且具有10万次以上的充电寿命，过充过温无危险，大能量体积比，被各界称为环保绿色能源。另外由于等体积超级电容所含的电能接近锂电池的容量，所以超级电容作为一种新型储能装置，具有显著的特点和优势，可以在某些领域取代传统蓄电池。考虑设计一种电路，超级电容能适合不同的供电电源，整个电能表平稳工作，从而为电能表数据安全的提供可靠保障。

电路总体架构：

摘要 ：随着建筑的不断提高，电梯逐渐进入我们的生活，并扮演重要角色，同时人们也开始关注起了电梯运行中的能耗问题。本文就简要介绍了电梯的组成和工作原理，什么是超级电容，超级电容优点，以及超级电容在电梯节能中的具体应用。

关键词 ：超级电容 储能电梯 节能技术

引言

电梯的存在是一把双刃剑，它在为人们的生活带来便利的同时也所带来了一定的负面影响。一方面，自从有了电梯之后，人们越来越依赖它，这就造成了越来越多的人懒得去爬楼梯，使人们每天的活动量大大缩减，严重影响了人们的健康状况;另外，电梯的使用也带来了巨大的能耗，因为电梯需要24小时不间断的运行，不能像电灯一样，用的时候打开，不用的时候关闭。所以，越来越多的人开始倡导走楼梯，减少电梯的使用，和研究电梯的节能技术。下面就简要介绍电梯的组成和工作原理，超级电容的含义和特点以及超级电容储能电梯节能技术的具体应用。

一、电梯的组成和工作原理

电梯作为一种特殊的垂直升降机，它的动力由电动机来提供，主要作用是在运输货物或是在建筑中承载人。电梯可以分文两种，一种为厢式，另一种为台阶式，也就是人们说的自动电梯。 电梯作为一种固定式的快速升降装置，主要应用于高层建筑中。

电梯的主要部分是轿厢与厅门、导轨、曳引机、安全装置、对重装置、信号操纵系统等。这些重要组成部分被安装在高层建筑预留的的井道和设备机房中。电梯在运行的过程中，一般会用钢丝绳进行机械摩擦传动，钢丝绳通过曳引机上的滑轮，然后在钢丝绳的两端分别连接上轿厢和对重装置，最后，电梯的电动机来驱动曳引机，使曳引机上的滑轮转动，引导轿厢不断地升或降。

二、超级电容的含义和特点

摘要：本文基于超级电容在电动自行车上的应用，根据超级电容的特性设计了充、放电控制电路，给出了设计方案，并推导出元件参数，设计的控制器在电动自行车上试验，取得了良好的效果。

关键词：超级电容 电动自行车 控制器

超级电容是近年发展快速的一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。超级电容具有90%以上的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达10万次以上。超级电容器的应用领域很广，在通讯、电子、铁路、航空以及军事等领域起的作用越来越大。当今环境问题越来越受到重视，超级电容器在电动汽车和混合式动力车上的前景广阔，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源。本文将超级电容应用于电动自行车上，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源，以满足电动自行车在启动、加速、爬坡或加载时的高功率要求。

1 超级电容充电器的设计

超级电容器在使用中，应该要注意以下问题：①超级电容器有固定的极性，在使用前注意确认其极性。②超级电容器需要在标称电压下使用：当工作电压超过标称电压的时侯会导致其电解液的分解，电容器发热，容量也随着下降，内阻增加，寿命将缩短。③超级电容器不能在高频充放电电路中使用，在高频率的充放电电路下，会导致电容器内部发热更多，容量衰减，内阻增加，甚至会导致电容器的性能崩溃。④当多个超级电容器串联使用时，存在单体间的电压均衡问题。单纯的串联使用会导致某些单体电容器过压，整体性能会受到影响，甚至会损坏这些电容器。根据以上对超级电容特性的分析，超级电容不能过电压充电，但是可以承受大电流充电，所以本次设计采用了大电流恒压充电。主要过程为由220V/50Hz的交流市电经过变压器变压、桥式整流，电容滤波，然后用L4970大功率稳压芯片稳定输出30V电压，给超级电容进行充电。设计方案框图如图1示。

图1 超级电容充电方案图

2 超级电容充电电路的设计

本设计对30V/50F的超级电容进行充电。若采用5A大电流充电，假设超级电容的开始电压为0，由公式Q=CU=It，可以计算出充电时间为5分钟。这完全符合充电时间短的要求。基于此本次设计了一个输出电压为36V的恒压充电电源给超级电容充电。图2所示为超级电容充电电路。

【摘要】超级电容器充电电压基本呈线性变化：在充电初始阶段，超级电容器电压上升很快，中间变化相对平缓，之后上升幅度再次加快，在充电初始和充电末阶段有明显的电压波动；充电电流越大，满充时间越短，验证了超级电容器大电流快速充电的特点。

【关键词】超级电容器；恒流充电

0.引论

超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点，广泛用作微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器、照相机闪光灯和飞机的点火装置等，尤其是在电动汽车领域中的开发应用已引起举世的广泛重视。

1.等效串联电阻对充电过程影响分析

超级电容器单体的基本结构主要包括集电板、电极、电解质和隔离膜。其等效模型如图1所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为电容感抗。EPR主要影响超级电容器的漏电流，从而影响电容的长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流很小。L代表电容器的感性成分，它是与工作频率有关的分量。

图1 超级电容器的等效模型

限制超级电容器应用的主要因素是电容器的等效串联电阻ESR过大，限制了其大电流输出能力。双电层电容器ESR是反映其性能的一个重要指标。电容器的等效电阻主要由电极物质内阻、溶液内阻、接触电阻等构成。等效串联电阻的外在表现为：当电极充电到某一恒定电位足够长时间，电容开始放电时电极电位会有一个突降U。该现象影响超级电容器的有效储能量，并随充电电流的增加，端电压的突变幅度增加，有效储能量降低。

近日，新加坡南洋理工大学（NTU）、中国清华大学和美国凯斯西储大学的联合团队开发出一种像纤维一样的柔性微型超级电容器，可织成衣服作为穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品的电源，该研究成果已在《自然纳米技术》上。

电池家族添新锐“堂弟”

伴随着新能源技术发展的日新月异，锂电池、燃料电池等相关产品技术备受关注，而同样作为储能装置的超级电容器或许还未被大众所熟知。它可以被称为超级电容器，犹如电池家族中的“堂带”，因具有充电时问短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，得到了业内人士的普遍认可，且行业增长迅速。

此次，科研团队研制的超级电容器是基于碳的微型电容器，它囊括的石墨烯和碳纳米管的互联网络十分紧致，其存储的能量相比一些薄膜锂电池更具优势。该装置具有保持充电和释放能量比电池快得多的优点。这种纤维结构的杂化材料提供了巨大可接触的表面区域，并高度导电。目前，此款超级电容器的存储能量可达到每立方米6.3微瓦特每小时，是同一体积的微型超级电容器的最高值。也就是说对于一只亏电的苹果手机来说，充满电仅需两三分钟的时间。

该纤维还能够以十字交义的方式织成服装，作成在智能纺织品方面的可穿戴设备。例如，这样的衣服可以为家里携带生物医学监控仪器的病人供电，可提供信息给远在医院的医生。织入制服像电池般的超级电容器可为显示器或通信的晶体管提供电源。

研究人员说，这种纤维可能是一个节省空间的电源，作为医疗植入物的“能量运送导线”，可为在家的病人或老人供电给医疗检测设备，或在野外为士兵使用通信设备提供电源。

此外，研究人员还饶有兴趣地测试了这些纤维的多功能应用，包括电池、太阳能电池、生物燃料电池及可灵活、穿戴式光电系统的传感器。研究人员说：“我们已经开辟了许多可能性，未来仍然有很多事情要做。”

鱼与熊掌如何兼得