超级电容器的构造与原理，稳定性和容量优势

（一）概述

超级电容器（supercapacitor，ultracapacitor）又称双电层电容器（Electrical Double-Layer Capacitor），电化学电容器（Electrochemcial Capacitor，EC），黄金电容，法拉电容。它通过极化电解质来储能，是一种电化学元件，在其储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，正因如此，超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时，电解液中的正负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。

它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离小得多，因此具有比普通电容器更大的容量。

双电层电容器与铝电解电容器相比，内阻较大，在无负载电阻情况下可以直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达106次以上。双电层电容不但具有电容的特性，还具有电池的特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。

（二）超级电容器的结构

超级电容器主要由固体介质、液体电解质、绝缘层等组成，如图2-14所示。

图2-14　超级电容器的结构

①固体介质，包括纸、塑料薄膜、云母、陶瓷和固态聚合物等。

②液体电解质，为水解有机溶液。

③绝缘层，即在两个绝缘平板上的氧化层。

（三）超级电容的基本原理

双电层电容是指正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别被吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大，如图2-15所示。充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液中阴阳离子分别聚集在两个固体电极的表面；放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。

图2-15　双电层原理示意图

图2-16　超级电容的基本原理图

超级电容器就是利用双电层原理的电容器，如图2-16所示。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层称为双电层，其电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3 V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。随着超级电容器放电，正负极板上的电荷被外电路泄放，电解液界面上的电荷相应减少。由于超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此，性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池不同。

（四）超级电容的特点

①电容量大，采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大，电容量越大。一般双电层电容器容量很容易超过1 F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3~4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5 000 F。

②充放电寿命很长，可达500 000次或90 000 h，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 000次。

③可以提供很高的放电电流，如2 700 F的超级电容器额定放电电流不低于950 A，放电峰值电流可达1 680 A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。

④可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。

⑤可以在很宽的温度范围内正常工作（-40~70℃），而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。

⑥超级电容器用的材料是安全的、无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池多具有毒性。

⑦等效串联电阻ESR相对常规电容器大（10 F/2.5 V的ESR为110 mΩ）。

⑧可以任意并联使用，增加电容量，采取均压后，还可以串联使用。

（五）超级电容的性能指标(www.xing528.com)

1.额定容量

额定容量是指以规定的恒定电流（如1 000 F以上的超级电容器规定的充电电流为100 A，200 F以下的为3 A）充电到额定电压后保持2~3 min，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值。

2.额定电压额定电压是指可使用的最高安全端电压（如2.3 V、2.5 V、2.7 V）。

3.额定电流

额定电流是指5 s内放电到额定电压一半的电流。

4.等效串联电阻

等效串联电阻是指以规定的恒定电流和频率（DC和大容量的100 Hz或小容量的kHz）下的等效串联电阻。

5.漏电流

漏电流一般为10 μA/F。

6.寿命

在25℃环境温度下的寿命通常为90 000 h，在60℃的环境温度下为4 000 h，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。

7.循环寿命

20 s充电到额定电压，恒压充电10 s，10 s放电到额定电压的一半，间歇时间：10 s为一个循环。一般可达500 000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。

8.功率密度（kW/kg）和能量密度（W·h/kg）

（六）超级电容与传统电容和电池的比较

1.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：

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，只有将一个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薄。

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质量的表面积可达2 000 m2。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10Å。

由于活性炭材料具有≥1 200 m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A），而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1 nm（即获得了极小的介质厚度d），这种双电层电容器比传统的物理电容器的容值大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。一个超级电容单元的电容值，实现电容量0.5~5 000 F，工作电压为12~400 V，最大放电电流为400~2 000 A。

超级电容能量密度比传统电容高，但功率密度比传统电容低。

2.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4.7 F电容能释放瞬间电流18 A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1 000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℃，一般电池为-20~60℃。