超级电容器技术特性：充电速度快、超低温特性好

与传统电容器相比，超级电容器具有以下优点：

①充放电距离很小，一般为纳米级，所以可以获得很大的电容。

②电极材料可以是具有高比表面积的多孔或纤维材料，由此也可获得很大的电容。

超级电容器器件的外观结构如图2−5所示。

图2−5　超级电容器器件的外观结构

为了保证车辆具有足够长的续驶里程和满足复杂运行环境下的功率需求，电源系统除应具有足够高的能量密度和功率密度外，还应具有在各种苛刻行驶工况下安全、高效和可靠运行的能力。燃料电池的能量密度明显高于其他类型的电源，但是其功率密度极低，无法满足车辆峰值功率需求。此外，电动车辆用燃料电池尚处于技术研发与储备阶段，还存在着构造成本高、氢燃料制备和存储困难等问题。锂离子电池能量密度较高，同时还具有无记忆效应、循环寿命较长和内阻低等优点，目前被广泛用作电动汽车的电源系统。但是，锂离子电池的功率密度较低，加速和制动能量回收时的峰值电流会对其造成不可逆的损害，缩短锂离子电池的循环使用寿命。此外，持续、频繁的大倍率充放电可能造成电池电芯过热，甚至可能引起热失控、燃烧、爆炸等重大安全事故，严重威胁乘员人身和财产安全。相对于锂离子电池，超级电容器具有功率密度高、效率高、运行温度范围宽和寿命极长等优点，同时，还适用于大倍率充放电，但其能量密度很低，通常只有锂离子电池能量密度的1/10左右。以上特点使得超级电容器在性能上与锂离子电池具有极强的互补性，因此，由电池与超级电容器组成的复合电源系统引起了学者的广泛关注和研究兴趣。通常情况下，在电池−超级电容器复合电源中，电池用于满足平均功率需求，而超级电容器则用于满足动态功率需求，以避免电池频繁大倍率充放电，延长电池的使用寿命，提高整车经济性，同时保证汽车行驶的安全性。

超级电容器通常由正负电极、电解液和隔膜组成，其中电极和隔膜都浸于电解液中。隔膜用于隔离正负电极，但允许电解液中阴、阳离子自由通过；电解液用于传导电流，并分别在与正、负电极接触面处形成双电层结构。当电极两端通过外电路加载电压时，由于静电力作用，在电极与电解液接触面形成双电层结构，实现电荷与能量存储；与普通电容器相比，超级电容器的电极材料具有高比表面积的特点，极大地增加了电荷储存能力。常用的电极材料包括高比表面积的多孔碳材料、导电聚合物材料和金属氧化物材料等，尤其是多孔碳材料由于具有成本低、比表面积高、易制备、电化学特性稳定、工作温度范围宽等优点，被市场上现有的大多数超级电容器大量采用。此外，在电极表面存在可逆的氧化还原反应，进一步增加了超级电容器的电容量。尽管有可逆的氧化还原反应存在，但超级电容器主要通过双电层结构的静电场实现能量储存与释放，因此具有极长的循环使用寿命，且可用于大倍率充放电。目前广泛应用于发动机辅助起动系统、智能电网能量存储系统、电动车辆复合电源系统等。

超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大，分离出的电荷越密集，其电容量越大。传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能薄。

超级电容器的面积是基于多孔碳材料，该材料的多孔结构允许其面积达到2 000 m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的，该距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器具有惊人的大静电容量，这也是其“超级”所在。超级电容器模块如图2−6所示。

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图2−6　超级电容器模块

超级电容器技术特性：

①充电速度快，充电10 s～10 min可达到其额定容量的95%以上。

②循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”。

③大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%。

④功率密度高，能够达300～5 000 W/kg，相当于电池的5～10倍。

⑤产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。

⑥充放电线路简单，无须充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护。

⑦超低温特性好，温度范围为−40～70℃。

⑧检测方便，剩余电量可直接读出。

⑨容量范围通常为0.1～1 000 F。