超级电容器结构 快来看!史上最全超级电容电池知识解析

北极星储能网消息:对于一些理工科的人来说，可能对电容有一定的了解。即使是普通人也可能见过电容，因为在我们的现实生活中，我们经常可以看到电容的影子，但电气双层电容器中却没有那么多人知道。双电层电容器是在超级电容器基础上发展起来的一种电池，具有非常显著的特性。它是一种比传统电池更强大的电池，具有许多优点，在许多方面都有许多应用。比如在新能源汽车、电车等可以看到电气双层电容的影子。可以说，双电层电容器的出现和发展必将带来又一次工业革命，在某些方面大大提高运行能力。

双电层电容器

一、电容器的类型

由于绝缘材料的不同，电容器的类型也不同:根据结构，可分为固定电容器、可变电容器和微调电容器。按介质材料可分为气体介质电容器、液体介质电容器、无机固体介质电容器和有机固体介质电容器。按极性可分为极性电容和非极性电容。我们看到的最常见的是电解电容。原则上可分为无极性可变电容、无极性固定电容和无极性电容。材料可分为CBB电容器(聚乙烯)、聚酯电容器、陶瓷片式电容器、云母电容器、单片电容器、电解电容器、钽电容器等。

1.电解电容

两个铝条和两个绝缘膜相互叠放，然后浸泡在电解液(酸性合成液)中，容量大，高频特性差。

2.单片电容器

体积比CBB小，其他和CBB一样。

3.云母电容

云母片涂有两层金属膜，容易生产，技术含量低，体积大，容量小(几乎没用)。

4.陶瓷电容器

以陶瓷为介质，在陶瓷基片的两面喷涂银层，然后烧制银膜，制成平板电极。它的特点是体积小，耐热性好，损耗低，绝缘电阻高，但容量小，适用于高频电路。

5.基本电容

铁电陶瓷电容大，但损耗和温度系数大，适用于低频电路。薄陶瓷片是银做的，两面都是金属膜，体积小，耐压高，价格低，频率高(一个是高频电容)，易碎！容量低。

6.CBB电容器

两层聚乙烯塑料和两层金属箔交替混合，然后粘合。

7.无感CBB电容器

两层聚丙烯塑料和两层金属箔交替混合后粘合，无电感，高频特性好，体积小，不适合大容量，价格高，耐热性差。

其次，超级电容器是传统电容器的升级

平板电容器由两块绝缘的金属电极板组成。电容与电极板的面积成正比，与电极板之间的间隙成反比。超级电容器的结构类似于平板电容器，电极采用多孔碳基材料。这种材料的多孔结构使其每克重量的表面积达到几千平方米，电容器电荷分离的距离由电解液中离子的大小决定。巨大的表面积和极小的电荷间距使超级电容器具有很大的容量，超级电容器单体的容量可以在1法拉到几千法拉之间。

与传统电池相比，超级电容器有很多优点:充电速度快，10秒到10分钟可以充电到其额定容量的95%以上；功率密度达到(102~104)W/kg，约为锂电池的10倍。大电流放电能力；回收次数高达10-50万次，使用寿命长；安全系数高，长期使用免维护。但是与主流硫电池相比，它们仍然面临着成本高、能量密度低的缺点。

第三，超级电容器可以作为电池的替代品

在某些应用中，超级电容器是电池的替代品。在其他应用中，超级电容器支持电池。在某些情况下，超级电容器可能无法储存足够的能量，因此有必要使用电池。例如，当环境能源(如太阳)是间歇性的，如夜间，储存的能量不仅要用于提供峰值功率，还要支持更长时间的应用。

如果需要的峰值功率超过了电池所能提供的量(如GSM通话或低温低功率传输)，电池可以用低功率给超级电容充电，超级电容可以提供大的脉冲功率。这种结构也意味着电池永远不会深度循环，从而延长电池寿命。超级电容器储存物理电荷，而不是像电池一样储存化学反应，因此超级电容器的循环寿命几乎是无限的。

当超级电容器由电池充电以提供峰值功率脉冲时，脉冲之间有一个重要的间隔。如果脉冲太近，保持超级电容器始终处于充电状态会更有效。然而，如果脉冲间隔不太近，在峰值功率事件之前对超级电容器充电更节能。

该间隔取决于许多因素，包括在达到平衡漏电流之前由超级电容器吸收的电容、超级电容器的自放电特性以及由电路从超级电容器汲取的用于峰值功率事件的电荷。只有事先知道峰值功率事件的到达时间，这个选择才是有效的，不能用来应对不可预知的事件，比如电池故障或者外界刺激。

四.双电层电容器和超级电容器

双电层电容器又称双电层电容器，是一种新型储能装置，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节能环保等特点。由于石油资源的短缺和燃烧石油的内燃机(尤其是大中城市)的废气排放造成的日益严重的环境污染，人们正在研究替代内燃机的新能源装置。

超级电容器是20世纪70年代和80年代发展起来的通过极化电解液储存能量的电化学元件。与传统的化学电源不同，它是一种介于传统电容器和电池之间的具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容器充电来储存电能。

动词 （verb的缩写）双电层电容器的优点

1.充电时间

目前充电桩的概念很流行，但是一次充电需要五个小时。这是制约锂电池车的最大问题。石墨超级电容器出奇的短。如果再加上充电桩，这个效率至少是锂电池无法比拟的。根据株洲CRRC的指示，根据不同的容量和额定工作电压，3 V /12000法拉超级电容器可以在30秒内充满电，2.8 V /30000法拉超级电容器的充电时间在1分钟内。

与活性炭超级电容器相比，石墨烯/活性炭复合电极超级电容器具有更高的能量和更长的使用寿命。据说这项技术代表了世界超级电容器单体技术的最高水平，技术研发继续走在世界前列。

2.安全

所有电池都应该有爆炸的危险。目前各种电池安全措施都很好，除了假电池，爆炸的可能性很低。在锂离子电池中，最危险的溶剂是中间有机电解质，易燃的醚类是最多的。当电池因为任何原因发生短路时，电池中的能量会在短时间内以热量的形式释放出来，点燃这些作为溶剂的醚类，引起爆炸。

锂离子电池由于夏季车内温度高，爆炸或自燃的可能性很大。超级电容器，充满电后，用钉枪打，使其短路，无反应；放火烧，不锈钢外壳烧红，没有爆炸(有网友描述)。类似于CRRC株洲机械有限公司技术中心副主任、宁波超级电容器研究所所长阮殿波形容的“无污染、无爆炸”。

3.巡航半径

2014年12月26日，美国电动车制造商特斯拉发布了两年前停产的第一代车型Roadster的升级版，续航里程644公里，比原版本高出60%。特斯拉CEO马斯克表示，特斯拉的高性能石墨烯电池相对于目前的容量增加了近70%。国内某网站曾声称有望在2015年上半年批量生产石墨烯锂电池，但至今没有下文。

一位网友实际测试的结果是，“以我们的测试日为例。我们早上开足马力，下午还车。因为开的凶，虽然我们只开了140多公里，但剩余动力只有20%左右。我个人推测，在北京这样的大城市使用，其实际续航里程应该在250-300km左右。据Phoenix.com称，以色列的一家名为StoreDot的公司已经实现了它的目标，并且正在发明一种技术，使电动汽车只需充电5分钟就能行驶数百英里。StoreDot电池，已用于消费手机，未来有望用于电动车。

然而，开发电动汽车的应用可能需要更长时间。即使一切顺利，StoreDot的电池也不太可能在至少五年内完成其电动汽车应用的商业化。根据国内一篇论文的结论，“如果综合考虑材料成本、生产工艺、加工性能和电化学性能，作者认为石墨烯或石墨烯复合材料实际用于锂电池负极的可能性很小，产业化前景渺茫。”

石墨锂电池没有量产的时候，石墨超级电容器就出来了。3伏/12000法拉超级电容适合电车主驱动，每次充电行驶里程6公里。2.8伏/30000法拉超级电容适合无轨电车主驱动，每次充电的续航里程可从目前的4 ~ 6公里提高到8 ~ 10公里。论续航能力，超级电容的能量密度低，可以提高空，但对于总线来说绰绰有余。但是，网上有消息。CSIC董事长谢蓉安表示，超级电容器充电约3分钟后可以行驶20公里。这个我没经历过，具体续航时间也没有确切数据。

电气双层电容器的两种电容器形式

在实践中，为了提高电容器的性能，降低成本，人们经常将伪电容器电极材料与双电层电容器电极材料混合，制成所谓的混合电化学电容器。混合电化学电容器可分为两类。一种是电容器的一个电极由伪电容器电极材料制成，另一个电极由双层电容器电极材料制成，可以拓宽电容器的应用电压范围，提高能量密度；另一种是由伪电容器电极材料和双电层电容器电极材料组成的复合电极，用于制备对称电容器。

1.法拉第伪电容器

法拉第伪电容器，又称法拉第准电容器，是与电极充电电位有关的电容器，是由电活性物质在电极表面二维或三维空活相中欠电位沉积而成。这种电极系统的电压随电荷转移量线性变化，表现出电容特性，故称为“准电容”，是双电层电容器的一种互补形式。原地址:http://www.pikacn.com/news/201611/5284.html

法拉第准电容器的充放电机理是:电解质中的离子(一般为H+或OH-)在外加电场的作用下扩散到溶液中，然后通过界面的电化学反应进入电极表面活性氧化物的体相；如果电极材料是具有大比表面积的氧化物，将发生相当数量的这种电化学反应，并且大量电荷将储存在电极中。放电时，这些进入氧化物的离子会回到电解液中，储存的电荷会通过外部电路释放出来。

2.双电层电容器

在外加电场的作用下，浸没在电解质溶液中的一对固体电极与电解质之间的界面电荷会重新分布和排列。作为补偿，带正电荷的正极吸引电解液中的负离子，负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，因而产生粉尘的电容称为双电层电容。双电层是由两个相反的电荷层相隔原子大小的微小距离组成的，就像平板电容器的两个极板。亥姆霍兹首先提出了这个模型。

能量以电荷的形式储存在电极材料的界面上。充电时，电子通过外部电源从正极流向负极，同时正负离子从溶液的液相中分离出来，分别向电极表面移动，形成双电层；充电后，电极上的正负电荷吸引溶液中相反电荷的离子，使双电层稳定，在正负电极之间产生相对稳定的电位差。放电时，电子通过负载从负极流向正极，外部电路产生电流。正负离子从电极表面释放，进入溶液相呈电中性。

七、电气双层电容器漏电流现象

超级电容器充电时，漏电流会随着时间衰减，因为碳电极中的离子会扩散到孔隙中。漏电流将稳定在一个平衡值，该值取决于电容、电压和时间。漏电流与电容内核成正比。室温下超级电容器漏电流均衡的经验估计算法为1μA/F。图6中150mF电容的漏电流在160小时后分别为0.2μA和0.3μA。漏电流随着温度的升高呈指数增加。

当温度升高时，稳定到平衡值的时间减少，因为离子的扩散速度更快。因此，从0V给这些电容充电所需的时间很少。根据超级电容器的不同，该电流范围为5 μ A至50 μ A。设计人员在为能量收集电路选择超级电容器时，应考虑测试这一最小充电电流。

八.双电层电容器充电

放电的超级电容器就像一个与能源短路的电路。幸运的是，许多能量收集源(如太阳能电池和微型发电机)可以驱动短路，从0V直接给超级电容充电。与各种能源(如压电或热电能)接口的集成电路必须能够驱动短路为超级电容器充电。

为了最有效地从能量收集源获得能量，业界在MPPT(最大峰值功率跟踪)做出了巨大努力。当电池必须以恒定电压充电时，该方案是可行的。电池充电器通常是一个直流/直流转换器，它是能源的恒定功率负载。因此，利用MPPT在最有效的点获得能量是有意义的。

与电池相反，超级电容器不需要在恒定电压下充电，但在电源提供的最大电流下充电时效率最高。当太阳能电池阵列的开路电压小于超级电容器的额定电压时，使用简单有效的充电电路。二极管可以防止超级电容器在没有照明的情况下给太阳能电池充电。如果能量源的开路电压大于超级电容的电压，那么超级电容需要通过并联调节器进行过压保护。并联调节器是一种廉价简单的过压保护方案。超级电容一旦充满电，是否消耗过多能量并不重要。

能量采集器就像一根可以无限供水的水管，灌满一个水箱(像超级电容)。如果水槽满了，水管还开着，水就会溢出来。这和电池不同，电池提供的能量有限，所以需要串联调节器。

在电路中，超级电容为0V，短路电流来自太阳能电池。随着超级电容器的充电，电流下降，这取决于太阳能电池的电压/电流特性。但是，超级电容器总是需要获得最大可能的电流，所以它们以最大可能的速率充电。电路中采用TLV3011太阳能电池，因为它含有一个基准电压源，只需要3μA左右的静态电流，是开漏电池，调节器关断时输出开路。电路中使用BAT54二极管是因为当正向电流小于10μA，即直流电压小于0.1V时，其正向压降较低

微型发电机非常适合工业控制应用，例如监控旋转机器，因为机器在工作时会振动。给出了微型发电机的电压-电流特性，它类似于太阳能电池芯，可以为短路提供最大电流。微型发电机还有二极管电桥，可以防止超级电容对发电机反向充电，从而获得简单的充电电路。

超级电容器充电时，漏电流会随着时间衰减，因为碳电极中的离子会扩散到孔隙中。漏电流将稳定在一个平衡值，该值取决于电容、电压和时间。漏电流与电容内核成正比。室温下超级电容器漏电流均衡的经验估计算法为1μA/F。150mF电容在160小时后的漏电流分别为0.2μA和0.3μA。

漏电流随着温度的升高呈指数增加。当温度升高时，稳定到平衡值的时间减少，因为离子的扩散速度更快。因此，从0V给这些电容充电所需的时间很少。根据超级电容器的不同，该电流范围为5 μ A至50 μ A。设计人员在为能量收集电路选择超级电容器时，应考虑测试这一最小充电电流。

9.双电层电容器推动风力发电革命

超级电容器作为一种新型储能元件，具有循环寿命长、充放电时间快的特点。在风力发电机狭窄封闭的轮毂控制柜中，超级电容器具有温度范围宽、体积小、容量大、可焊性好、维护简单等优点。在风力发电设备系统中，超级电容器不会被过度充电，从而影响寿命。充放电过程只是物理变化，不会常年密封。[

超级电容器的基本工作原理是碳-碳双层原理，储存过程是可逆的。分析采用RC模型，包括理想电容器C的等效串联内阻RESP和影响超级电容器充放电效率的等效并联内阻REPR，REPR影响电容器的自放电，即长期静态存储。电荷储存的区别在于双电层电容器通过电极-电解质表面的静电荷储存能量。这种储能方式具有充放电能力快、可靠性高、循环寿命长的特点。与铅酸电池相比，在多变的风力条件下，它更具有应急变桨距电源的优势。

更换一部分超级电容器后，针对风能随机性强、环境恶劣、温湿度变化大、盐雾污染侵蚀严重等因素对电源模块的影响。可以得出结论，超级电容器比铅酸电池更稳定、实用、可行。可以预见，随着风力发电技术的发展，超级电容器的应用将逐步增加。因此，超级电容器作为风力发电机的备用电源是可行的。

X.双电层电容器改造新能源汽车

超级电容器在新能源汽车上的应用主要有三种:一是作为动力设备，比如上海11路公交车就是超级电容器公交车。车辆运行中途充电仅需30秒，单次充电可行驶5~8公里，节能环保。兼顾城市景观；二是作为发动机的辅助驱动，在汽车快速启动时提供较大的驱动电流，减少油耗和不完全燃烧产生的污染排放；三是回收制动能量，当汽车需要加速时，释放储存的能量，提高能量利用效率。

Xi。双电层电容器展望电车的未来

据不完全统计，全球已有60多个国家和300多个城市运营现代有轨电车；中国有50多个城市已经规划、建造和运营了有轨电车。国内在建超级电容储能电车项目:武汉大安阳区电车T1线，全长19公里，已购置21辆超级电容车；宁波市鄞州区电车示范线，全长8公里，已购置超级电容车10辆；东莞松山湖华为产业园线，全长5公里，购置超级电容车5辆；深圳龙华新区T1有轨电车线路，全长约12km，计划配备15辆超级电容车；武汉东湖高新区T1/T2有轨电车线，全长16/19km，计划配备26辆超级电容车；2020年前广州将规划约500公里的有轨电车网络，约500辆超级电容车等等。国外、港澳台在建超级电容储能电车项目:台湾省高雄电车环线，全长22公里，已购置超级电容车约30辆(CAF)；卡塔尔多哈电车线全长12公里，已购买18辆超级电容车(SIEMENS)。

目前已运营或投产的超级电容储能电车有:广州海珠(7.7km，已运营)；江苏淮安(20.3公里试车)。

世界第一条超级电容储能现代有轨电车线——广州海珠线运营:运营时间:9:00-21:00；上线数量:工作日4+1列，周末6+1列；运营里程:230 km(每趟列车往返15次)；行驶速度:24公里/小时，7.7公里，单程19分钟；准点率:99.87%；日客流量:最高日票超过2万(7趟)；车辆功耗:

超级电容电车已经逐渐融入城市文化。它不仅是一种交通工具，也是一种新的生活方式。

12.双电层电容器有助于混合动力汽车的发展

混合动力汽车的起源是能源危机、环境污染和相关的国家政策，从这些方面提出了对混合动力的需求。HEV的分类方法有很多种，上午和下午介绍的很多。工作原理，我不是专业的，就不介绍了。我主要说一下我们的钛酸锂电池和超级电容器。

首先要了解HEV的使用特点。目前HEV的第一使用特点是频率相对较高，充放电循环频繁且较浅；二是功率要求比较大，充电时电流和电压变化比较大；第三，工作环境，实际工作条件比较复杂。温度方面，工作温度需求区域比较广。

根据上述实际工作特点，提出了我国混合动力汽车相关电源的电源设计要求。一是循环寿命，电池循环寿命要求比较高，最好能继续使用15年以上。二、大功率充放电性能。三是工作温度更宽，尽可能在-40度和70度充放电能力更好。第四，安全稳定。纯电动汽车和混合动力汽车都经历过安全事故，大家都很关注。第五，充放电效率。动力电池中的能量循环必须经历充放电充的循环。高充放电效率对保证整车效率起着至关重要的作用。

目前HEV使用的配套电池解决方案大概有十种，一种是铅酸电池；二是传统的镍氢电池；第三，使用磷酸铁锂作为阴极材料，使用石墨或碳作为阴极材料。第四，以三元镍钴锰酸锂为正极材料，石墨为负极材料；五是锌镍电池；第六，是我今天要讲的。采用三元材料作为正极，钛酸锂作为负极，是一种钛酸锂电池。其实也是我们的锂离子电池之一，只是负极不一样。第七，超级电容器等二次电池用于混合动力汽车。当然，流动电池、燃料电池、铁镍电池也有十几种。

总结:电池是电源，电容作为储电基础的重要性当然很重要。如果能将电容器和电池的特性结合起来，肯定会很有吸引力，这是双电层电容器最大的潜力。所以这种电池如果能普及，一定会带来一场革命。

相关阅读:

干货分享:18650锂电池知识全解析