超级电容/电池纲要全解及应用发展趋势

　　对于一些理工科的人来讲，可能对电容都或多或少有一定的了解，就算是普通的人，可能也见过电容，因为在我们的现实生活中，经常能够见到电容的影子，不过超级电容电池并不是那么多人知晓，超级电容电池是在超级电容器的基础上研发出来的一种电池，这种电池具有非常显著的特点，是比传统电池更加强势一种电池，优势非常多，在许多方面的应用非常的多，比如说在新能源汽车、有轨电车等等，都可以见到超级电容电池的影子，可以这么说，超级电容电池的出现以及发展，必将会带来再次的工业革命，极大的提高某些方面的运作能力。

　　

　　超级电容电池

　　一、电容的种类

　　

　　由于绝缘材料的不同，所构成的电容器的种类也有所不同： 按结构可分为：固定电容，可变电容，微调电容。按介质材料可分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容电解电容。按极性分为：有极性电容和无极性电容。 我们最常见到的就是电解电容。从原理上分为：无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等。从材料上可以分为：CBB电容（聚乙烯），涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。

　　1、电解电容

　　两片铝带和两层绝缘膜相互层叠，转捆后浸泡在电解液（含酸性的合成溶液）中，容量大，高频特性不好。

　　2、独石电容

　　体积比CBB更小，其他同CBB，有感。

　　3、云母电容

　　云母片上镀两层金属薄膜，容易生产，技术含量低，体积大，容量小，（几乎没有用了）。

　　4、陶瓷电容

　　用陶瓷作介质，在陶瓷基体两面喷涂银层，然后烧成银质薄膜做板极制成，它的特点是体积小，耐热性能好，损耗小，绝缘电阻高，但容量小，适宜用于高频电路。

　　5、基层电容

　　铁电陶瓷电容容量较大，但是损耗和温度系数较大，适宜用于低频电路。薄瓷片两面渡金属膜银而成，体积小，耐压高，价格低，频率高（有一种是高频电容），易碎！容量低。

　　6、CBB电容

　　2层聚乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成。

　　7、无感CBB电容

　　2层聚丙乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成，无感，高频特性好，体积较小，不适合做大容量，价格比较高，耐热性能较差。

　　二、超级电容器是传统电容的升级

　　

　　平板电容器是由两个彼此绝缘的金属电极板组成，电容量与电极板的面积成正比，与电极板之间的间隙大小成反比。超级电容的结构类似于平板电容，其电极为多孔碳基材料，该材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达几千平方米，而电容电荷分隔的距离由电解质　中的离子大小决定。巨大的表面积加上电荷间极小的距离，使得超级电容具有很大的容量，超级电容单体的容量可从1法拉至几千法拉不等。

　　与传统电池相比，超级电容具有许多优点：充电速度快，10秒~10分钟即可充至其额定容量的95%以上；功率密度达（102~104）W/kg，是锂电池的10倍左右；大电流放电能力强；循环使用次数达10~50万次，寿命长；安全系数高，长期使用免维护。但与主流硫电池相比仍面临成本高、能量密度低的劣势。

　　三、超级电容器可作为电池的替代品

　　

　　在某些应用中，超级电容是电池的替代品；还 有一些应用中，超级电容为电池提供支持。有些情况下，超级电容可能无法存储足够的能量，此时就有必要使用电池了。例如，当环境能源（例如太阳）为间歇式 时，如在夜间，则存储的能量不仅要用于提供峰值功率，而且还要支撑应用更长的时间。

　　如果所需峰值功率超过了电池可以提供的量（如在低温下做GSM呼叫或小 功率传输），则电池可以用小功率为超级电容充电，而超级电容来提供大的脉冲功率。这种结构还意味着电池永远不会深度循环，从而延长了电池寿命。超级电容存 储物理电荷，而不是像电池那样的化学反应，因此超级电容实际有无限的循环寿命。

　　当超级电容从一只电池充电来提供峰值功率脉冲 时，各个脉冲之间存在着一个重要的间隔，如果脉冲相距过近，则让超级电容总是处于充电状态会更有效率。但如果脉冲间距不太近，则能效更高的办法是在峰值功 率事件以前为超级电容充电。

　　这个间隔取决于多种因素，包括超级电容在达到均衡泄漏电流以前吸纳的电容、超级电容的自放电特性，以及电路为了提供给峰值功率 事件而从超级电容拉出的电荷。只有当你预先知道峰值功率事件的来临时间，这种选择才是有效的，而不能用于对不可预测事件的反应，如电池失效或外部刺激。

　　四、超级电容电池与超级电容器

　　

　　超级电容电池又叫双电层电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。

　　超级电容是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。

　　五、超级电容电池的好处

　　1、充电时间

　　

　　目前充电桩概念很火，但是充一次要五个小时。这个是制约锂电池汽车的最大难题。石墨希超级电容短的让人吃惊，如果和充电桩结合起来，这个效率最起码是锂电池不能比的。根据株洲中车的说明，根据不同的容量和额定工作电压，3伏/12000法拉超级电容在30秒内即可充满电，2.8伏/30000法拉超级电容充电时间在1分钟内。

　　相比活性炭超级电容，石墨烯/活性炭复合电极超级电容能量更大，寿命更长。据说这一技术代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平，技术研发持续走在世界前列。

　　2、安全性

　　电池应该都有爆炸的风险。目前各类电池安全措施都很好，除了伪劣电池，爆炸的可能性都很低。在锂离子电池中，带有最大的危险是中间的有机电解质溶剂，以易燃的醚类最多。当电池因为任何原因短路时，电池内能量会在短时间以热的形式释放出来，点燃这些做为溶剂的醚类，引发爆炸。

　　锂离子电池，由于夏天车内温度较高，所以发生爆炸或自燃的可能性很大。超级电容器，充满电后用射钉枪打，使其短路，任何反应都没有；放火上烧，不锈钢外壳快烧红了，也没发生爆炸（一网友的描述）。和中国中车株机公司技术中心副总监、宁波超级电容研究所所长阮殿波描述的差不多，“无污染、无爆炸”。

　　3、续航里程

　　

　　2014年12月26号，美国电动汽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，续航里程达到644公里，高出原版60%。特斯拉CEO马斯克称，特斯拉的高性能石墨烯电池，相比目前的容量增长近70%。国内某网站也曾宣称2015年上半年有望量产石墨烯锂电池，但是至今未有下文。

　　一位网友实际测试的结果是“以我们测试的这天为例，早上满电出发，到下午还车，由于驾驶比较激烈，所以虽然一共只开了140多公里，最后剩余电量就只有20%左右。我个人推测在北京这样的大城市使用，它的实际续航里程应该在250-300km公里左右”。据凤凰网报道，一家以色列公司StoreDot达到目标正在发明一项技术使电动车可以在仅仅5分钟的充电后行驶几百英里。目前已运用在消费者手机上，并有望日后应用在电动车上的StoreDot电池。

　　但是在电动车的应用研发上可能需要更长时间。即使一切顺利，至少五年内StoreDot的电池都不太可能完成其电动车应用的商业化进程。根据国内一论文结论，“如果综合考量材料成本、生产工艺、加工性和电化学性能，笔者认为，石墨烯或者石墨烯复合材料实际用于锂电负极的可能性很小产业化前景渺茫。”

　　在石墨希锂电池未量产之际，石墨希超级电容面世了，3伏/12000法拉超级电容适合用于有轨电车主驱动，单次充电行驶里程可达6公里，2.8伏/30000法拉超级电容适合用于无轨电车主驱动，单次充电行驶里程可从目前的4～6公里提高到8～10公里。论续航能力，超级电容能量密度低，还有提高空间，但是用在公交车上是绰绰有余了。但是网上还有新闻，中上汽车董事长谢镕安介绍，超级电容充电3分钟左右可续驶20公里。这个没有经历过，具体能续航多少没有确切数据。

　　六、超级电容电池的两个电容形式

　　

　　实践过程中，人们为了达到提高电容器的性能，降低成本的目的，经常将赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合使用，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，一类是电容器的一个电极采用赝电容电极材料，另一个电极采用双电层电容电极材料，制成不对称电容器，这样可以拓宽电容器的使用电压范围，提高能量密度；另一类是赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合组成复合电极，制备对称电容器。

　　1、法拉第赝电容器

　　法拉第赝电容器也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征，故称为“准电容”，是作为双电层型电容器的一种补充形式。原文地址：http：//www.pikacn.com/news/201611/5284.html

　　法拉第准电容的充放电机理为：电解液中的离子（ 一般为H+或OH-）在外加电场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中；若电极材料是具有较大比表面积的氧化物，就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路释放出来。

　　2、双电层电容器

　　一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。作为补偿，带正电的正电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，由此产尘的电容称为双电层电容。双电层是由相距为原子尺寸的微小距离的两个相反电荷层构成，这两个相对的电荷层就像平板电容器的两个平板一样。Helmholtz首次提出此模型。

　　能量是以电荷的形式存储在电极材料的界面。充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，同时，正负离子从溶液体相中分离并分别移动到电极表面，形成双电层；充电结束后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。在放电时，电子通过负载从负极流到正极，在外电路中产生电流，正负离子从电极表面被释放进入溶液体相呈电中性。

　　七、超级电容电池的泄露电流现象

　　

　　当超级电容充电时，泄漏电流会随着时间而衰减，因为碳电极中的离子会扩散进入孔隙中。泄漏电流会稳定在一个均衡值，该值取决于电容、电压和时间。泄漏电流与 电容芯成正比。超级电容均衡泄漏电流的经验估计算法为室温下1μA/F。图6中的150mF电容，在160小时后的泄漏电流为0.2μA和0.3μA。泄 漏电流随温度升高而呈指数上升。

　　当温度升高时，稳定到均衡值的时间会减小，因为离子扩散的速度更快。因此，这些电容从0V充电需要的时间最小。根据不同的 超级电容，这个电流范围从5μA~50μA。设计者在为能量采集电路挑选超级电容时，应考虑测试这个最小充电电流。

　　八、超级电容电池的充电

　　

　　一个放电的超级电容就像一个与能量源短接的电路。所幸，很多能量采集源（如太阳能电池和微发电机）都可以驱动一个短接的电路，从0V起为一只超级电容直接充电。与各种能量源（如压电或热电能）接口的IC必须能够驱动一个短接的电路，从而为超级电容充电。

　　业界在MPPT（最大峰值功率追踪）方面做了很大努力，以从能量采集源最有效地获得功率。当必须用恒压方式为电池充电时，这种方案是可行的。电池充电器通常是一个dc/dc转换器，它对能量源是一个恒定功率的负载，因此，采用MPPT在最高效点获得能量就是有意义的。

　　与电池相反，超级电容不需要以恒压充电，而以电源可以提供的最大电流充电时效率最高。一个简单而有效的充电电路，用于太阳能电池阵列的开路电压小 于超级电容额定电压的情况。二极管可防止超级电容在太阳能电池无光照情况下对其反充电。如果能源的开路电压大于超级电容的电压，则超级电容需要采用分流稳 压器做过压保护。分流稳压器是过压保护一种廉价而简单的方案，一旦超级电容充满电，就无所谓是否消耗了过多的能量。

　　能量采集器就像一根能无限供水的水管，为一个水槽注水（好比一只超级电容）。如果水槽满了，水管仍开着，水就会溢出。这与电池不同，电池供给能量有限，因此需要串联稳压器。

　　

　　在电路里，超级电容为0V，从一块太阳能电池芯获取短路电流。随着超级电容的充电，电流下降，这取决于太阳电池芯的电压/电流特性。但超级电容总是 要获取可能的最大电流，因此它以尽可能大的速率充电。中的电路采用了TLV3011太阳能电池芯，因为它内含了一个电压基准，只需要约3μA的静态电 流，并且它是一种漏极开路电池芯，当稳压器关断时，输出就是开路的。电路采用了BAT54二极管，因为它在小电流时有低的正向压降，即在正向电流小于 10μA时，正向电压小于0.1V。

　　微发电机很适合于工业控制应用，如监控旋转的机器，因为机器在工作时会发生振动。给出了一只微发电机的电压-电流特性，它类似于一只太阳能电池 芯，能够为一个短接电路提供最大的电流。微发电机还带有一个二极管桥，可防止超级电容为发电机反向充电，这就得到了一个简单的充电电路。

　　当超级电容充电时，泄漏电流会随着时间而衰减，因为碳电极中的离子会扩散进入孔隙中。泄漏电流会稳定在一个均衡值，该值取决于电容、电压和时间。泄漏电流与 电容芯成正比。超级电容均衡泄漏电流的经验估计算法为室温下1μA/F。中的150mF电容，在160小时后的泄漏电流为0.2μA和0.3μA。

　　泄漏电流随温度升高而呈指数上升。当温度升高时，稳定到均衡值的时间会减小，因为离子扩散的速度更快。因此，这些电容从0V充电需要的时间最小。根据不同的 超级电容，这个电流范围从5μA~50μA。设计者在为能量采集电路挑选超级电容时，应考虑测试这个最小充电电流。

　　九、超级电容电池带动风力发电革命

　　

　　作为新兴储能元件，超级电容具有循环寿命长，充放时间快等特点，在风力发电机狭小的密闭有限空间轮毂控制柜内，超级电容更具有适应温度范围广，体积小容量大，可焊接，维护简单等优点，在风电设备系统中，超级电容不会过充，过放影响寿命，充放电过程仅仅是物理层面上的变化，不会对常年密闭空间作业的轮毂内部造成二次污染，超级电容以保持稳定的直流电压，保证变桨伺服电机的正常运作。

　　超级电容的基本工作原理是碳碳双电层原理，存储过程可逆，分析时采用RC模型，包括理想电容C等效串联内阻RESP，等效并联内阻REPR，RESP影响超级电容充放电效率，REPR影响电容自放电，即长期静止存储。存电荷不一样的是，双电层电容器是在电极-电解质表面以静电形式的电荷进行储能。这种储能模式具有快速充电/放电能力、高可靠性和长循环寿命的特点，相对于铅酸蓄电池，对于紧急变桨供电对多变的风况的情况下更具有优势。

　　更换了一部分超级电容以后针对于风能随机性强力，环境恶劣，温度湿度变化大，盐雾污秽侵蚀严重等因素对供电模块影响。可以得出超级电容相比铅酸蓄电池更加稳定，实用性和可行性更强 可以预见超级电容的应用在风力发电技术越来越成熟的发展中所占的比例将逐渐上升。所以超级电容做为风力发电机后备电源具有很强的可行性。

　　十、超级电容电池变革新能源汽车

　　

　　超级电容在新能源汽车中主要有三类应用：一是作为动力设备，如上海11路公交即为超级电容大巴，车辆运行中途充电只需30秒，一次充电可行驶5~8公里，既节能环保又兼顾城市景观；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，减少了油耗和不完全燃烧的污染排放；三是对制动能量进行回收利用，当汽车需要加速时，再将这些储存的能量释放出来，提高了能源的使用效率。

　　十一、超级电容电池展望有轨电车未来

　　

　　据不完全统计，目前全球已有超过60个国家、300个城市运营现代有轨电车；国内已有50多个城市开展了有轨电车的规划、建设和运营。国内正在建设的超级电容储能式有轨电车项目：武汉市大汉阳区有轨电车T1线，全长19km，已采购超级电容车辆21列；宁波市鄞州区有轨电车示范线，全长8km，已采购超级电容车辆10列；东莞市松山湖华为工业园区线，全长5km，已采购超级电容车辆5列；深圳市龙华新区有轨电车T1线，全长约12km，计划配超级电容车辆15列；武汉市东湖高新区有轨电车T1/T2线，全长16/19km，计划配超级电容车辆26列；广州2020年前规划约500公里有轨电车线网，计划配超级电容车辆约500列等等。国外及港澳台正在建设的超级电容储能式有轨电车项目：***高雄有轨电车环线，全长22km，已采购超级电容车辆约30列（CAF）；卡塔尔多哈有轨电车线，全长12km，已采购超级电容车辆18列（SIEMENS）。

　　目前已经运营或试运行的超级电容储能式有轨电车有：广州海珠（7.7km，已运营）；江苏淮安（20.3km试运行）。

　　全球首条超级电容储能式现代有轨电车运营线-广州海珠线运行情况：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公里（每列15个往返）；旅行速度： 24km/h，7.7km单程19分；正点率： 99.87%；每日客流：最高日超2万张票（7列车）；车辆电耗：《3度/公里↓30%。

　　超级电容储能式有轨电车已逐步融入了城市文化，它已经不仅仅是一种交通工具，而是一种新的生活方式。

　　十二、超级电容电池助力混动力汽车发展

　　

　　HEV的由来，一个方面是从能源危机，另一方面是环境污染，再一个就是国家相关政策，从这几个方面提出了混合动力需求。HEV的分类现在有不同的方法，上午和下午也介绍了不少。工作原理，我不是专业的，就不多介绍，主要还是契合主题，讲我们的钛酸锂电池和超级电容器。

　　首先要知道HEV的使用特点，目前HEV的使用特点第一个就是使用频度比较高，频繁、浅度的充放电循环；二是功率要求比较大，在充电过程中电流和电压都有比较大的变化；三是工作环境，实际工况相对来说比较复杂。温度方面，工作温度需求区域就比较宽。

　　根据以上实际工作特点，就对我们HEV相关电源提出了电源设计方面的要求。一是循环寿命，电池循环寿命要求比较高，最好是能够持续使用15年以上。二是大功率充放电性能。三是工作适应温度比较宽一点，尽可能在零下40和70度都有较好的充放电能力。四是安全稳定问题，纯电动和混合电动都出现过安全事故，这块大家都非常关注。五是充放电效率，动力电池中能量的循环必须经过充电-放电-充电的循环，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。

　　目前在HEV使用的配套电池解决方案应该差不多有十种左右，一个是铅酸电池；二是传统的镍氢电池；三是以磷酸铁锂为正极材料，以石墨或者碳为负极材料；四是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；六是就是我今天要谈到的一个，以三元材料做正极，钛酸锂作为负极，就是钛酸锂电池，其实它也是我们锂离子电池的一种，只是负极不同而已。七是超级电容器和其他二次电池的搭配使用，用到混合电动车上。当然还有液流电池和燃料电池、铁镍电池等，大概有十多种。

　　总结：电池是动力的源头，而电容作为存储电量的基本，其重要性当然是非常重要的，如果电容和电池的特点能够结合，那么肯定是非常具有诱惑力的，这就是超级电容电池的最大潜力，所以说，如果这种电池能够得到普及的话，那必将会带来一个革命。