超级电容器是一种电容量可达数千法拉的极大容量电容器。根据电容器的原理，电容量取决于电极间距离和电极的表面积，为达到这种容量，只有缩小电极间距离，增加电极面积，为此，采用双层和活性炭多孔化电极。温度与电压是影响超级电容器寿命的重要因素。温度每升高5℃，电容器的寿命将下降10%。为降低电压跌落，需选用大容量超级电容器。......
2023-06-25
超级电容器：续航时间和电量不再是问题
【摘要】：超级电容器的结构与化学电池结构非常相似。其分解电压直接决定了超级电容器的工作电压窗口和电流效率。电极材料是超级电容器非常重要的组成部分，也是科学研究的热点和重点。根据电解液类型的不同，超级电容器又可分为水系、有机系和全固态三种类型。由于采用了有机电解质体系的超级电容器具有更宽的电化学稳定窗口，因此有机电解质超级电容器具有更大的能量密度。
21世纪以来，随着计算机等相关电子器械、医疗器械、办公自动化用品及移动通信设备等电子产品的普及，世界范围内日益出现严重的资源和能源短缺，生态环境也随之恶化，所以清洁能源走入人们的视线。清洁能源包括风能、太阳能、潮汐能等在使用过程中环保、排放少，对环境影响极低的能源，但是由于这些新能源技术在利用时很难实现按需求进行稳定输出，因此寻找合适的能量转换和储存体系则可以从根本上解决这一类问题，所以开发高性能、低成本且环境友好的能量储存备用电源成为当今极为迫切的研究方向，而锂离子电池、燃料电池以及电化学电容器等储能设备得到了广泛的关注。其中，超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环使用寿命长、安全性能好以及环境污染小等优点，可应用于备用电源、混合动力汽车电源和便携式移动电源等领域，具有很广泛的应用前景。
超级电容器的结构与化学电池结构非常相似。它的主体结构主要由集流器、正负电极材料、聚合物隔膜和电解质组成。在超级电容器中，极化电极承担着产生双电层电容、氧化还原赝电容和累积电荷的作用，是超级电容器的关键部分，而电解液则在整个体系中起到加速离子传导、粘接电极颗粒、补充离子等作用。其分解电压直接决定了超级电容器的工作电压窗口和电流效率。通常使用的水溶液电解质是硫酸、氢氧化钾和硫酸钠，其优点是电导率高，成本低廉，电解质分子直径较小，更能利用表面积与微孔充分接触，但电容器工作电压受水的分解电压限制，一般不超过1 V。而非水溶液电解质中，研究最多的是有机相，其具有较高的分解电压，一般为2～4 V，但其电导率很低。隔膜的作用就是防止两个电极物理接触的同时允许离子通过。电极材料是超级电容器非常重要的组成部分，也是科学研究的热点和重点。德国理论物理学家赫姆霍兹先生提出荷电物体表面的双电层电荷吸附现象，称为界面双电层理论。双电层电容器的储能机理正是基于这个原理。当正负电极材料同时浸入电解质溶液中，外界有电场作用时，电解质中正、负离子分别向两极移动，并在电极材料与电解质界面形成紧密的电荷吸附层，以达到电荷储存的目的。双电层超级电容器的充放电机理具体如下：充电时，由于静电吸附作用电解液中的阴、阳离子各自运动到正、负电极表面被碳材料吸附，形成双电层并积累电荷，产生的电容值非常大；放电时正负电极的电荷通过外电路释放出去，而电解液离子又回到电解液中，最终恢复初始状态。由于整个过程发生的是吸附-脱附的物理过程，无化学氧化还原反应，因此其循环稳定性能好，循环次数高达上万次，寿命可达到10年以上。法拉第赝电容器，又名法拉第准电容器，其储能机理则与双电层电容器不同。在外加电场的作用下，电极材料活性物质和电解质离子之间发生可逆的化学吸附作用、可逆的氧化还原反应和欠电位电化学位沉积反应等过程，从而拥有更大的电荷储存能力，得到更大的比电容。
超级电容器按储能机理可分为三类，基于双电层理论的双电层型超级电容器、通过法拉第过程实现能量存储的赝电容型超级电容器以及正负电极分别采用双电层及赝电容材料的混合型超级电容器。双电层型超级电容器一般用碳材料作为电极，如石墨烯，多孔碳纳米纤维/线/管等；赝电容电极材料多采用过渡金属氧化物材料，如钴酸镍、氧化锰、五氧化二钒等以及导电聚合物（聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等）；混合型超级电容器结合了双电层型电容器及赝电容型超级电容器的特点，正负极分别由双电层电容材料和赝电容材料组成。
根据电解液类型的不同，超级电容器又可分为水系、有机系和全固态三种类型。有机电解质体系通常采用锂盐或季铵盐等作为电解质，有机溶剂如聚碳酸酯、碳酸二甲酯或乙腈等作为溶剂。由于采用了有机电解质体系的超级电容器具有更宽的电化学稳定窗口，因此有机电解质超级电容器具有更大的能量密度。
超级电容器拥有比传统平板静电容更高的能量密度，以及比锂二次电池更大的功率密度，再加上其更高的转换效率、快速充放电速率以及长循环稳定性特点，因此其在民用和军用领域等方面都有很大的应用空间。比如，大功率密度特性可以提供从毫秒到几秒的大电流脉冲放电过程，可以作为一些设备的主电源使用，如智能手机、便携式电脑、电动玩具等。由于超级电容器本身具有循环使用寿命长且效率高、工作温度范围宽以及低自放电等优势，因此非常适合在昼夜切换的场合作为替换电源使用，也适合利用太阳能功能的各种公共设施，如太阳能路灯、广告牌、公交车站台发光线路板以及交通信号灯等做替换电源使用；在电子产品领域，超级电容器通常也能作为移动电话、电子计算机、数码相机、可穿戴智能设备、家用电器等产品的补充电源使用。
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