电化学超级电容原理及应用

1. 电化学超级电容原理及应用 莫妍 化工学院 2012207092

2. 超级电容的基本原理 • 超级电容（supercapacitor），又叫双电层电容(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。其储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。 • 超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。

3. 目录 • 1、超级电容的原理和特点 • 2、超级电容的性能指标 • 3、超级电容与普通物理电容比较 • 4、超级电容与可充电池比较 • 5、超级电容的应用

4. 超级电容器的分类 • 根据使用电极材料的不同可分为两大类： • （1）以炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，本质是静电型能量储存方式，通常被称作双电层电容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有关，因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料，从而增加电容量。例如，活性碳的表面积可达1000m2/g，电容量可达100F/g，且碳材料还具有成本低，技术成熟等优点，该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。 • （2）以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器。与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要大 10～100倍 ，因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军事领域。

5. 超级电容器的优缺点 • 优点：在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；与电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题 • 缺点 ：如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路

6. 超级电容与传统电容的比较 • 电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容越大。 • 电容值为： 　C = ε·A / 3.6 πd 　其中A为极板面积，d为介质厚度，ε为相对介电常数 • 传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿。 • 超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其值小于10埃。超级电容能量密度较传统电容高，但功率密度较之低。

7. 超级电容与电池的比较 • 超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上） • 超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年 • 可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应，免维护，可密封 • 温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃

8. 超级电容应用领域 • a.无线通讯----GSM手机通讯时脉冲电源；双向寻呼；  其它数据通讯设备 • b.移动电脑----手提数据终端；PDA；其它使用微处  理器的手提设备 • c.工业/汽车----智能水表、电表；远程载波抄表；  无线报警系统；电磁阀；电子门锁；脉冲电源；UPS；电动工具；汽车辅助系统；汽车启动设备 • d.消费电子----音响、视频和其它电子产品断电时  须用记忆保持电路的产品；电子玩具；无线电话；  电热水瓶；照相机闪光灯系统；助听器

9. 超级电容在无线通讯中的应用 • 在无线通讯中，GSM/GPRS无线调制解调器传输数据过程中，需要输出电压3V左右，输出200-300mA的电流脉冲，脉冲时间为秒级，期间还另需要一次达2A的电流脉冲，脉冲时间为毫秒级。 • 常态脉冲电流供电可由常规型号单体电池实现，而达到2A以上的大电流脉冲则只能依靠超级电容来实现。

10. 超级电容在智能水表中的应用 • 传统的智能水表，在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。但当电池电量不足时，不能有效监测，将无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接影响到它的推广和使用。 • 新方案用超级电容替换锂电池，封装在水表中，同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容充电；而当电池电压过低，或突然断电时（如取下电池），由超级电容继续为电路提供电源，同时，超级电容存储的能量足以关断阀门。 • 新方案优点：1、将电池与水表分离，可随时更换，延长水表寿命。2、超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性。

11. 超级电容在电动汽车中的应用 • 电动汽车的辅助动力 • 改善汽车的启动性能

12. 图示为燃料电池汽车的起动过程，由于超级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率，从而使汽车起步过程大大加快。 图示为超级电容应用于电动车的典型结构 UCMS（超级电容管理系统）主要作用是管理每个单体电流的大小，防止电压超过电解质的分解电压而造成损坏，限制单体不均匀性的影响。从而使超级电容组稳定可靠的工作，提高超级电容组整体的效率和寿命。 DC/DC一般为电流型升压变换器，主要作用是控制电容器的能量输入输出，协调超级电容电压和电池电压 。

13. 超级电容在汽车启动系统中的应用 • 汽车用蓄电池是启动专用蓄电池,可高倍率放电,但以超过10C的高倍率放电仍会使其性能变得很差,且对蓄电池的损伤也很明显。（如用12V/45Ah的蓄电池启动1.9升柴油机的汽车,其电压在启动瞬间由12.6V直降3.6V;启动瞬时电流达550A,约为12C的放电率 ） • 将超级电容（450F/16.2V）与蓄电池（ 12V/45Ah ）并联使用可显著改善启动性能。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。 • 特别是在低温或冬季寒冷的恶劣环境下，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,而超级电容器由于去高功率特性与蓄电池并联时则仅需一次点火，其优点是非常明显的。

14. 超级电容+锂离子电池复合电动车 • “电池－电容混合电动汽车应用示范系统研究”项目，上海市电力公司负责实施 ，采用的是超级电容和锂离子电池相混合的技术。目前已有10辆这种电池－电容混合型电动汽车在上海825路公交车上线运营。 • 这种电池－电容混合型电动汽车具有续驶里程长、充电速度快、充放电循环次数高等主要优点，一次完全充电最大行驶距离可达100-300公里，最高时速可达80-100公里，一次完全充电时间3小时左右，每 公里耗电小于1.6度。 • 有关检测数据表明，使用该混合纯电动汽车可减少92%－98%的汽车废气排放，同时可节省能源费用70%－80%。

15. Thank You !