超级电容器范文

超级电容器范文第1篇

这种新一代脉冲超级电容器具有极低ESR的特点，使得它们可以满足对锂离子电池或标准AA、AAA电池进行涓流充电时，设备工作所需要的瞬时峰值电流。低厚度的设计也使得它们可以被使用在小型电路卡组件(Circuit Card Assembly，CCA)中，并能够满足如便携设备中无线数据传输卡和高密度数据传输设备等对电源的需求。在这些应用中，常需要提供大约主电池输出电流两倍的峰值能量以实现快速的数据传输。

超级电容器正如它的名字一样，可以存储大量的电荷。标准电容器通过极板间的电介质存储电荷。由于电介质内的偶极子排列，电场的建立可以通过极板的电压测得。极板所能保持的电荷越多，电容量就越高，能量存储可以通过公式1／2(c×V2)来计算。此处，C为以法拉为单位的电容，V为以伏特为单位的极板电压。超级电容器也可以产生同样的结果，但它却是通过电荷的大量游离和运动，而不是通过介电质的偶极子排列来存储能量。这种移动相反电荷到分离器不同侧的机制是自然界中的电化学现象，与电池原理非常相似。能量在标准电容器或超级电容器之中能够存储多久将取决于电容器内部的漏电流(如偶极子的释放或电荷的重组)，存储的能量能够被释放得多快取决于器件的内部电阻。

标准电容器技术的研究正集中于新型材料的开发以期改善介电常数、介电质漏电流、内部电阻和耐压能力。同样，对于超级电容器而言，最初的产品是基于高内阻的机电系统，并具有“类电池”的存储电能和放电特征，而新材料的开发已经使低ESR器件成为瞬时放电应用的理想器件。

当在标准电容器中计算偶极子排列所存储的能量时，通常会假定其是纯粹的直流应用环境。但在大多数应用中，需要电容器来传递信号，这就使极板带有交流电压。问题是偶极子的振动怎样能够很好地跟得上传过来的信号频率并不失真呢?或者哪种类型的标准电容器能够适合对应的应用环境?例如，耐压6V，容量高达2200uF，ESR小于50mΩ的钽电容在100kHz～1MHz范围内都有很好的频率响应。这是因为在100kHz时，电容量保持率很高(大约90％)，是SMPS器件宽范围滤波要求的理想选择。陶瓷Ⅱ型材料也适合这个频率范围，虽然电容量相比要低，但ESR会更低(大约100uF／5mΩ)。同时，陶瓷Ⅰ型电介质有非常高的工作频率，特别适合射频应用。对于光学系统，单层器件可以接近10GHz的响应。

同样，超级电容器技术也正在发展以用于更加广泛的领域。这得益于纳米技术(可以用来开发更高表面积的炭叠层)所具有的优点，而最近几年许多令人激动的成果之一就是分离系统中的“质子聚合膜”被引入了电容器制造领域。这种技术有如下优点：

・非常高的直流电容：容量在50mF～IF；

・非常长的电容保持时间：以毫秒为单位的脉冲间隔；

・非常宽的工作电压：3.6～15V，甚至更宽；

・非常低的ESR：20～300mΩ；

・非常低的漏电流：2―5uA；

・非常长的生命周期：深度充放电循环测试高达一千万次(或者持续测试8个月)也没有显示出对这些电容有任误差。一些最先进的锂离子电池具有非常平坦的电压特性，这使得利用OCV测量来校正电流测量误差更加困难。而只要电压测量有一点小小误差，就可能导致SOC计算的重大偏差。所以，只有确保出色的电流测量和精确的时基才能获得最佳精度。

如上所述，在小电流的情况下，造成电流测量误差的最大原因是电流测量ADC中的偏移量，而目前已经有好几种技术可减小这种偏移量。其中，最常用的技术是在受控环境中对偏移量进行测量，然后在每一次的测量值中都减去该偏移量。但这种方法有一个弱点，就是没有考虑到偏移量的漂移。图1显示了把该技术用于一定数量的部件之后的残余偏移量。爱特梅尔的电池管理单元采用的是一种更好的方法，而ATmegal6HVA所通过周期性改变电流测量的极性来抵偿偏移量就是一例。虽然利用这方法仍会残余极小但恒定的偏移量，不过，这个很小的残余偏移量只需在保护FET开路之前进行测量，并通过电池组提供一个已知电流，就可以除去。如图2所示，利用这种方法可以显著减小偏移量，而爱特梅尔BMU中偏移量漂移引起的残余误差更低于量子化级。消除偏移量的好处在于能够精确测量很小的电流，而对于偏移量大的器件，就得在某一点上停止电流测量，转而开始预测电流。有些BMU采用5mΩ的感测电阻，提供高达100mA的锁定零区或死区。以笔记本电脑为例，这可是很可观的电流量，足以保持某个工作模式非常长的时间了。

精确测量小电流

对于给定大小的感测电阻，电流测量ADC的偏移误差每每限制了其能够测量的最小电流级，致使在低感测电阻值和所需死区(这里因为电流级太低，无法集聚电荷流)之间必须进行大幅折中。最近，大多数设备制造商都在寻找降低耗电量，并尽可能保持低功耗模式的方法，使确保小电流获得精确测量的技术变得愈发重要。

电流测量的度偏移

要精确测量uV数量级电压本身就颇具挑战性，而在芯片经受温度变化时实现精确测量更是困难，因为即使是一部主要在室内工作的笔记本电脑，还是会经历温度变化。例如，在电池均衡管理期间，BMU内部的一个FET以最大功率消耗电池的能量。致使芯片温度大幅上升。与偏移有关的许多参数都有较大的温度偏移，如果不消除这些效应，将影响到测量精度。爱特梅尔的偏移校准方法已获证明在考虑到温度效应时也非常有效。如图2所示，温度效应被完全消除，从而确保偏移不再对测量精度造成影响。

带隙基准电压的特性及其对电压测量的影响

带隙基准电压是获得高精度结果的关键因素。来自固件预期值的实际基准电压值偏差会转化为测量结果的增益误差，而在大多数情况下，这是电池电压测量和大电流测量中最主要的误差源。

标准带隙基准电压是由一个与绝对温度成正比(PTAT)的电流和一个与绝对温度成互补关系(CTAT)的电流两部分相加组成，可提供不受温度变化影响而且相对稳定的电流。这个电流流经电阻，形成不受温度变化影响而且相对恒定的电压。不过，由于CTAT的形状是曲线，而PTAT是线性的，所以得到的电压―温度关系图形也是曲线。

带隙基准源中的电流级存在一定 的生产差异(production variation)，使得25℃时的基准额定值、曲率形状和曲线最平坦部分的位置都会发生各种变化，因此需要进行工厂校准，以尽量减小这种变化的影响，图3所示为一个未校准基准源带来的变化实例。在-20―+85℃的温度范围内，最高差异为-0.9～0.20％。而图3则显示有两个离群点的曲线跟大多数其他器件的曲线有相当大的差异。

BM器件中常用的标准带隙基准源针对额定变化被校准，在25℃时的精度极高。然而，曲率形状和位置变化的补偿也相当常见，这就产生与温度变化有关的大幅变化，使得在高和低温时电池电压测量不够精确。此外，也不可能检测和显示出曲线形状显著不同的离群点。

新颖的基准电压校准方法

为了在各种温度变化下获得更好的性能，爱特梅尔增加了一个额外的基准电压校准机制，用以调节带隙基准源的温度系数。这个校准步骤将调节曲率的形状和位置，并显著改善随温度变化的稳定性，如图4所示，在-20～+85℃温度范围内的最大变化是0.5％。注意第二个校准步骤可以检测和显示出具有截然不同的曲线形状的离群点。

基于生产测试成本因素，一般情况下BM器件是不执行第二个校准步骤的。因为行业规范是只在一个温度下测试封装器件，而第二次校准则需要在两个温度下对封装器件进行精确的模拟测试，所以加入具有高模拟精度要求的第二个测试步骤通常都会大幅度增加成本。

爱特梅尔则开发出了一种新颖的方法，能以尽量少的额外成本来执行第二个测试步骤。传统上，第二步测试需要高精度测量设备和复杂的计算操作。此外，对每一个待测器件，第一步测试的数据必须存储，然后在第二步测试中恢复。这些要求都会提高测试成本。爱特梅尔的专有技术充分利用BM单元本身具有的特性，把测试设备要求降至最低：通过精确的外部基准电压，利用板上ADC来执行测量；利用CPU来执行必须的计算任务；以及利用闪存来存储第一步的测量数据。因此，只要利用成本非常低的测试设备便可以获得精度极高的结果。通过这种方法，爱特梅尔便能够以极低的额外测试成本来提供业界领先的性能。

带温度偏移的电压测量精度

当电池达到完全放电或完全充电状态时，电压测量便会决定什么时候关断应用或停止对电池充电。因为最大和最小电池电压的安全考量都是不能打折扣的，故须内置一个保护带(guard band)，以确保所有情况下都能安全工作。电压测量精度越高，需要的保护带便越小，实际电池容量的利用率也会越高。在给定的电压和温度下，电压测量可被校准，而该条件下的电压测量误差将极小。当考虑到温度偏移时，测量误差的主要来源是基准电压漂移。图5显示了使用标准基准电压相比曲率补偿基准电压所带来的不确定性。如图5所示，曲率补偿可显著提高精度。

结语

要最大限度地使用电池每次充电后的能量，尽量延长电池组的寿命，同时又不牺牲电池组的安全性，高的测量精度至关重要。为了避免增加校准成本，BMU的固有精度必须尽可能地高。此外，通过能够充分利用MCU板上资源的灵活新颖的校准技术，便可以最小成本实现良好的基准，消除温度的影响。

超级电容器范文第2篇

摘 要：本文主要对超级电容器领域的相关专利申请的分析进行了梳理，并进行了举例说明。超级电容电极材料主要包括碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料以及复合材料，本文主要介绍了碳材料在超级电容器领域的应用，并具体从活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个分支分别介绍了超级电容器。

关键词：超级电容器;碳材料;活性炭;碳纤维;碳气凝胶;碳纳米管;石墨;专利申请

1 不同电极材料在超级电容器上的研究与应用

1.1 碳材料

碳材料是最早被用作电极材料的，碳材料电极先后出现了多孔碳材料、活性炭材料、纳米碳纤维、碳纳米管等多种材料。碳材料的特征主要表现为双电层特性，双电层电容器充电时在电极/溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列产生双电层电容储能，其电荷及电位分布如图1（a）所述。加上直流电压后，经过一段时间在2个极化电极与电解液的界面上就会形成新的双电层，其电荷与电位分布如图1（b）所示。充电时通过外部电源，电子从正极转移到负极，同时，溶液中的正负离子各自反向扩散到电极表面，能量以电荷形式存储在电极材料与界面之间。由于电极电荷和溶液中反电离子的相互作用，离子不会迁移到溶液中去，保证双电层的稳定。

目前已经公开的有关碳基材的超级电容的申请有2560篇，其中多孔碳因具有较高的比表面积和孔隙率，且相对于碳纳米管、石墨烯等具有成本低廉、原料丰富、适合大规模生产等优点依然是超级电容器的热门电极材料。何孝军等人采用花生壳为原料、KOH为活化剂，所得多孔炭材料作为超级电容器电极材料表现出较好的稳定性（CN102417178）。而且，作为多孔碳的一种，活性炭作为超级电容的电极材料有着更进一步的优势，将具有1600cm2/g特定表面的活性碳细微粒子放入模具，不使用任何粘结剂，施加300kg/cm2的压强，分别供给一个90秒钟的750A的离子脉冲电流和一个120秒钟的1000A的热电流，从而产生一个薄圆盘形的细微碳粒子的多孔烧结体，即得到活性炭电极（JPH0378221 A五十铃汽车有限公司）。然而，活性碳系列的材料导电性较差，所得电容器等效串联电阻大。而且该活 性碳系列的比表面积实际利用率不超过30%，电解质离子难以进入，因此不 适于用作超级电容器的电极材料。碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）的出现为超级电容器的开发提供了新的机遇，它具有良好的导电性能且本身的比表面积大，制得的超级电容器 具有较高的比电容量和电导率。（CN101425380清华大学）

然而，无论怎样，以碳材料作为电极材料虽然有诸多优点，但是由于其只利用双电层储存能量，在性能方面有所限制，因此出现了金属氧化物材料的电极开发与研究。

1.2 金属氧化物材料

法拉第赝电容电极材料的研究主要集中在金属氧化物上，比如氧化钌，氧化镍，二氧化锰等。他们不同于双电层电容器中碳材料电极那样存储能量，而是在电容器进行充放电时，金属氧化物与溶液的界面处发生可逆氧化还原反应，从而获得更大的比容量。目前世界范围内关于金属氧化物材料的超级电容的专利申请量为413篇。刚开始研究的电极材料是氧化钌材料，然而，由于钌金属属于贵金属材料，虽然其拥有良好的效果，由于价格昂贵，很大的程度上制约了钌金属电极材料的应用。所以，后来人们开始将目光转向其他的廉价金属以替代氧化钌，或者利用碳材料或其他金属化合物与其进行复合，在提高电极材料的同时，减少氧化钌的用量从而降低超级电容器的制造成本。比如，以二氧化锰作为电极材料，形成超级电容器（JP3935814 夏普公司），由于MnO2在充放电过程中发生了可逆的氧化还原反应，其比电容远高于活性炭电极的比电容。

1.3 导电聚合物材料

导电聚合物超级电容器与金属氧化物电容器同属于赝电容型超级电容器，因其良好的固有导电率和高能量密度，同时又有相较于金属氧化物更低成本的特征，成为了一种常用的电极材料。距今为止，有关导电聚合物电极材料的专利有250篇。导电聚合物超级电容器的最大优点就是能够在较高的电压下进行工作，克服金属氧化物超级电容器工作电压不高的问题。对阴极基材表面进行化学蚀刻，如涂覆腐蚀性物质或实施电化学蚀刻等，然后涂覆导电聚合物涂层，所述导电涂层包含烷基取代聚（3，4-乙烯二氧噻吩），采用这种聚合物，得到比许多传统涂层材料更高的电容（CN103310985 AVX公司）。通过使用规定的导电性高分子结合于表面，并且具有规定的直径的细孔容积为特定的比率的多孔质碳材料作为电极材料，可获得具有高静电容量，循环特性优异的双电层电容器。所述电性高分子为选自聚苯胺、聚吡咯、聚吡啶、聚喹啉、聚噻唑、聚喹喔啉以及它们的衍生物中的至少1种（WO2012050104 横滨橡胶株式会社）。

1.4 复合材料

为了进一步增大超级电容器的能量存储，使其具有赝电容性能以及双电层特性，单一材料作为电极材料不再满足人们的需求。制备利用碳材料作为基体的复合材料不仅增加了活性材料的有效利用，也增加了复合材料的导电率以及机械强度，现今，已有大量的文献和专利对碳材料作为基体来改善复合材料的电化学性能进行了研究，仅涉及复合材料的专利申请量就达到了355篇。例如，通过使氧化钌和特定的碳材料复合化，可以使氧化钌的比表面积和电极物质的空间这两者扩大，从而通过纳米复合化来实现电荷利用率的提高（CN1964917B 国立大学法人东京农工大学）。因此，未来对于超极电容器复合电极材料的研究可能会吸引越来越多的目光。

2 碳电极材料在超级电容器上的研究与应用

理论上，电极材料的比表面积越大，容量越大，越适合作为电容器电极材料。实际上，研究发现，高比表面积的碳材料的实际利用率并不高，因为碳材料的孔径分为微孔（<20nm）、中孔（2-50nm）、大孔（>50nm），其中对于形成双电层有利可以作为超级电容器电极的只有大于20nm孔径的材料，因此在提高比表面积的同时还要同时调控孔径的分布。目前，已有多种不同类型的碳材料应用于超级电容器电极材料上，关于碳电极材料的相关专利申请主要集中在活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个方面。如图2所示，不同的碳电极材料有不同的特征。

2.1 活性炭

活性炭是一种由无定形碳和石墨微晶组成的多孔材料，一般在多孔碳的比表面积大于500m2/g时被称为活性炭。由于活性炭的微孔而具有大的比表面积，因此，通常使用包含活性炭的电极材料用作超级电容器的电极，使其表面与电解质接触（KR20100011228 LS美创有限公司）。然而活性炭的导电性不强，因此在利用活性炭制得电极时，可以对普通活性炭进行化学改性，使之具有良好的导电性、较高的表观密度和高比容量，并加入乙炔黑等导电剂以增强活性炭电极的导电性（CN1419256 A成都茵地乐电源科技有限公司）。

而且，活性炭的来源十分广泛，作为超级电容器的关键材料直接影响到超级电容器的性能。目前，常用的活性炭的制备原材料主要来自石油基原料、植物、甚至污泥等，例如，以甘蔗渣（例如冲绳产或其它的来源）获得的原料经碳化获得碳化物，将碳化物进行碱活性化得到活性炭（CN101503189 产业技术研究所股份有限公司）;以小麦面粉、玉米面等为原料制备超级电容器用活性炭（US8318356B2 康宁股份有限公司）;利用低密度农业废弃物，通过二氧化碳或者水蒸气活化从而制备活性炭（US6537947B1 迪尔公司）。因此，活性炭的来源广，成本低，也是其一直备受青睐的重要原因。

2.2 碳纤维

碳纤维属于高效吸附性材料，由于其表面碳原子的不饱和性，它可以以化学形式结合其他原子和原子团，因此碳纤维具有更由于活性炭的吸附性能。利用高密度的高导电性碳纤维作为负极活性物质，所制得的超级电容器的库仑效率将提高90%或者更高（JP2811389B2 B2 日本电池株式会社）。通过添加细微碳纤维来改善充放电容量、改善电极极板强度，这里提到的细微碳纤维，一般是利用烃的热分解气相法制造的（JPH5-321039 昭和电工株式会社），这种碳纤维的直径通常为0.01-5um。然而，为了提高电池或电容的充放电容量，以提高负极材料的结晶性来提高容量时，不仅仅是负极材料，进而对添加材料也要求具有放电容量高的材料。因此，对于其添加材料的碳材料，提高其结晶性并获得导电性好的细微碳纤维是十分有必要的（CN1343269 A昭和电工株式会社）。现在，关于碳纤维作为超级电容器电极领域的研究仍然吸引着众多学者的关注，有关的专利申请量为157篇。

2.3 碳气凝胶

碳气凝胶是由美国人Pekala首先发现的一种新型纳米多孔材料，一经出现立刻引起各国研究工作者的浓厚兴趣。通过调整碳气凝胶的孔隙大小，其具有更优良的导电性（JP2011159960 三星电机株式会社）。另外，由于经过溶胶-凝胶化反应得到的碳气凝胶材料一般呈块状，这时需要把块状气凝胶球磨成微米级粉末（～10μm），不仅费时费力，还费钱。因此出现了一种直接制得粉末状碳气凝胶的制备方法，可以满足应用多样化的需求（CN103449406 A 中山大学）。但是，现阶段制备碳气凝胶的工艺较为复杂，在制备碳气凝胶的前驱体时通常采用超临界干燥技术，该方法成本高，过程复杂，生产周期长，规模化生产难度大，并且具有一定的危险性，因此各国的研究者都在探索常压干燥代替超临界干燥的制备工艺。

2.4 碳纳米管

自1991年日本NEC公司的Iijima发现碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）以来，其具有的优良的机械和光电性能，被认为是复合材料的理想添加物。纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此，按照石墨烯片的层数，碳纳米管材料可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。为了获得更高的电容量，将碳纳米管与一结合剂混合，模制成一平板价型，制得电极，其中碳纳米管可以是单壁或者多壁碳纳米管（CN1317809株式会社日进纳米技术）。将碳纳米管将单壁碳纳米管与甲醇溶液混合搅拌制得单壁碳纳米管的分散液，将此分散液在减压气氛中通过PTFE滤纸得到一纸膜压单壁碳纳米管片材，将该片材放置于刻蚀铝箔的表面，然后设置隔膜等，制得超级电容器（US2010259867 A1 日本化工株式会社）。以多壁碳纳米管为原料，与浓硫酸和浓硝酸混合加热，获得预氧化的碳纳米管，清洗后与插层剂混合烘干后二次加热，膨胀后得到石墨烯纳米带，活化处理后得到多孔石墨烯纳米带制备超级电容器（CN103332689中国科学院宁波材料技术与工程研究所）。或者将单层碳纳米管与多层碳纳米管混合，与粘结剂作用制得电极材料（JP2008010681 A爱考斯研究株式会社）。

2.5 石墨

单层石墨材料作为新型的超级电容器的电极材料，是利用其二维结构，具有极大的比表面积，低比重，单片片层厚度在0.34nm～2nm之间分布，表面的官能团存在使单层石墨材料与电解液充分润湿。与传统的活性炭作为电极材料的超级电容器相比节省能源;与碳纳米管

作为电极材料的超级电容器相比，成本低廉。新型的超级电容器性能

良好，具有很高的比电容及高的能量密度（可达50Whkg-1），其比功率更可高达40kWkg-1（CN101383231 南开大学）。

3 总结

综上所述，除了进一步提高现有体系的性能外，今后超级电容器用碳电极材料仍然是通过对其储能机理与制备方式的研究与开发，寻找更为理想的超级电容器电极材料，为提高超级电容器的功率密度和能量密度制造出新型的商业化储能器件。而且，就生产成本来说，碳材料毋庸置疑是目前为止的超级电容器电极材料中最为廉价的电极材料，对于众多产业和公司而言有着极大的吸引力，对于此类材料的研究将一直是人们的重点。

超级电容器范文第3篇

【关键词】超级电容器；恒流充电

0.引论

超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点，广泛用作微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器、照相机闪光灯和飞机的点火装置等，尤其是在电动汽车领域中的开发应用已引起举世的广泛重视。

1.等效串联电阻对充电过程影响分析

超级电容器单体的基本结构主要包括集电板、电极、电解质和隔离膜。其等效模型如图1所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为电容感抗。EPR主要影响超级电容器的漏电流，从而影响电容的长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流很小。L代表电容器的感性成分，它是与工作频率有关的分量。

图1 超级电容器的等效模型

限制超级电容器应用的主要因素是电容器的等效串联电阻ESR过大，限制了其大电流输出能力。双电层电容器ESR是反映其性能的一个重要指标。电容器的等效电阻主要由电极物质内阻、溶液内阻、接触电阻等构成。等效串联电阻的外在表现为：当电极充电到某一恒定电位足够长时间，电容开始放电时电极电位会有一个突降U。该现象影响超级电容器的有效储能量，并随充电电流的增加，端电压的突变幅度增加，有效储能量降低。

由于超级电容器在恒电流充放电过程中，电流的大小或方向在充电过程结束和放电过程结束时发生改变，所以可以通过电流阶越方法测定电容器等效串联电阻。具体方法是精确记录改变电流大小及方向时电容器电压的改变，利用关系式ESR=U/I计算电容器的等效串联电阻。室温下，将额定容量为2700F的超级电容器单体的额定电压Umax=2.7V确定为工作电压上限，Umin=1.35V确定为工作电压下限，分别利用恒流I=20A，50A，100A对超级电容器进行充电测试。

图2 超级电容器恒流充电端电压变化

图2表示了充电过程中超级电容器电压的变化情况。超级电容器充电电压基本呈线性变化：在充电初始阶段，超级电容器电压上升很快，中间变化相对平缓，之后上升幅度再次加快，在充电初始和充电末阶段有明显的电压波动；充电电流越大，满充时间越短，验证了超级电容器大电流快速充电的特点。具体分析超级电容器端电压波动原因，端电压变化幅度ΔU（ΔU1

2.容量特性分析

根据电容原理有：

等效串联电阻部分引起的电压降：

变换可得所需超级电容器的容量C：

对于多孔碳材料做极化电极的超级电容器，其存储电荷的电容C与碳材料的表面性质紧密相关，其中多孔碳电极的比表面积和微观孔径尺寸分布是影响超级电容器双电层容量的重要因素。

试验中，分别利用电流为10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A对同一超级电容器进行恒流充电，并测量电容器的电容。

在动态工作情况下，用线性函数拟合来预测超级电容器在任意工作电流水平点对应的超级电容器静电容量C值。利用Matlab对获取的电容值进行3阶拟合，对应函数为f（x）=0.2x3-143.x2+2749.5。超级电容器的容量随充电电流的增加而下降。结合超级电容器的内部构成分析，超级电容器的转换效率和有效容量，受其有效内阻和充放电电流的影响，要使其贮能量最大化，就要使容量最大化，即要求电极表面积最大化和双电层厚度的最小化。在充电过程中，充电电流密度影响着电极极化反应的比表面积和微孔传输反应粒子、离子电荷的速度，并因充电电流增大，碳电极的有效反应表面和微孔利用率减小而导致容量降低。

3.储能量变化分析：

若采用恒流充电，电容C不随超级电容器的端电压变化，则任意t时刻的储能量可表示为：

式中：Qt—充电任意时刻的电荷量；Vt—恒流充电条件下任意时刻的电压值；V0—电容充电下限值；I—充电电流。

4.充电效率分析

充放电循环试验中，由于超级电容器等效电阻的影响，依据库仑效率，充电过程中实际消耗的能量Wk要大于超级电容器的可用储能量Et，二者之间的比值定义为超级电容器的充电效率[12]。

超级电容器范文第4篇

[关键词]超级电容器 可再生能源应用 工业应用 交通应用

中图分类号：F274；F426.22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0054-02

随着环境污染的日益加剧，需要高效、洁净、绿色、可再生的能源替代传统能源，在使用过程中减少环境污染。同时，各种用于储存能源的装置也逐渐引起人们重视。目前，常用的储存能量装置有铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器等。其中，超级电容器以其优异的充放电寿命、高功率密度、环境友好等特点，得到更为广泛的应用与研究。超级电容器常见的应用领域包括：消费电子、后备电源、电动汽车、可再生能源发电系统、军事装备领域、航空航天等[1]。本文主要从超级电容器的应用角度入手，探讨近年来超级电容器在各方面应用的进展以及新的发展方向。

超级电容器作为产品已日趋成熟，与其他超级电容器相比超级电容器的工艺技术成熟度更优。随着生产工艺的不断进步，其应用范围也得到不断扩展，在工业、消费电子、通信、医疗、国防、军事、交通等领域都有着越来越广泛的应用。从小容量的储能到大规模的电力储能，超级电容器都展示了独特优越的性能，以及超长的充放电寿命[2]。以下分别介绍超级电容器在可再生能源领域、工业领域、交通领域中的应用及原理。

1.可再生能源领域

超级电容器在可再生能源领域的应用主要包括：风力发电变桨距控制，提高风力发电稳定性、连续性，光伏发电的储能装置，以及与太阳能电池结合应用于路灯、交通指示灯等[3]。

1.1.风力发电

超级电容器在风力发电变桨距控制的应用原理是通过为变桨系统提供动力，实现调整桨距。平时，由风机产生的电能输入充电机，充电机为超级电容器储能电源充电，直至超级电容器储能电源达到额定电压。当需要为风力发电机组变桨时，控制系统发出指令，超级电容器储能系统放电，驱动变桨系统工作。这样即使在高风速下，改变桨距角以减少功角，从而减小了在叶片上的气动力[4]。以此保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率，延长发电机的寿命。

1.2.在光伏发电方面的应用

在光伏发电系统中应用超级电容器作为辅助存储装置主要为了实现以下两方面作用：首先，作为能量储存装置，在白天时储存光伏电池提供的能量，在夜间或阴雨天光伏电池不能发电时向负载供电；其次，与光伏电池及控制器相配合，实现MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）控制[5]。

由于光伏发电产生的功率会随着季节、天气的变化而变化，即无法产生持续、稳定的功率。所以超级电容器还常常会被应用于光伏发电的储能装置。即增加超级电容器后，可实现稳定、连续的向外供电，同时起到平滑功率的作用。P. Thounthong等人研究了光伏发电-超级电容器相结合的能源系统。通过增加了超级电容器，光伏发电可以输出更为平稳的电能[6]。

2.工业领域的应用

超级电容器在工业领域可以应用于叉车、起重机、电梯、港口机械设备、各种后备电源、电网电力存储等方面。

2.1.在起重机等设备方面的应用

叉车、起重机方面的应用是当叉车或起重机启动时超级电容器存储的能量会及时提供其升降所需的瞬时大功率。同时储存在超级电容器中的电能可以辅助起重、吊装，从而减少油的消耗及排放，并可满足其他必要的电气功能。Sang-Min K.等人研究了将超级电容器结合起重机的柴油发动机混合动力，旨在提高发动机的节油量[7]。经过超级电容器辅助发动机启动，效果如图1所示，其中PLOAD为启动所需功率，PGEN-DC为柴油发动机产生功率，PSC为超级电容器提供功率。可以看出超级电容器能够提供所需的脉冲功率，可大大提高发动机的节油量。

2.2.在UPS方面的应用

在重要的数据中心、通信中心、网络系统等对电源可靠性要求较高的领域，均需采用UPS装置克服供电电网出现的断电、浪涌、频率震荡等故障。用于UPS装置中的储能部件通常可采用铅酸蓄电池、飞轮储能和燃料电池等。在电源出现故障的一瞬间，以上的储能装置中只有电池可以实现瞬时放电，其他储能装置需要长达一分钟的启动才可达到正常的输出功率。但电池的寿命远不及超级电容器，且电池的使用过程中需要消耗大量人力、物力对其进行维修维护。所以超级电容器用于UPS储能部分的优势就显而易见。Z Chlodnicki等人[8]将超级电容器用于在线式UPS储能部件，当供电电源发生故障时可以保证试验系统继续运行。

2.3.在微电网方面的应用

超级电容器储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节，可以提供有效的备用容量改善电力品质，改善系统的可靠度、稳定度[9]。超级电容器储能系统的基本原理是三相交流电经整流器变为直流电，通过逆变器将直流逆变成可控的三相交流。正常工作时，超级电容器将整流器直接提供的直流能量储存起来，当系统出现故障或者负荷功率波动较大时，通过逆变器将电能释放出来，准确快速补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制。

3.交通领域的应用

超级电容器在交通领域中的应用包括汽车、大巴、轨道车辆的再生制动系统、启停技术，以及卡车、重型运输车等车辆在寒冷地区的低温启动等。

在地铁车辆在运行过程中，由于站间距离较短，列车启动、制动频繁，可利用超级电容器将再生制动产生的能量储存起来，该能量一般为输入牵引能量的30%甚至更多。在国外超级电容器已经实际应用于轨道交通再生制动能量回收存储系统中。文献10指出加拿大的庞巴迪公司推出了基于超级电容器的能量回收系统MITRIC，并在其国内投入使用。正是由于超级电容器可以存储非常高的能量并且可以在短时间内释放出，从而可以将轨道车辆在制动时产生的电能存储起来，在列车再次启动时，这部分能量可再次被利用，使得列车运行能耗得到明显降低。

卡车等重型运输车辆在寒冷地区启动时，蓄电池性能大大下降，很难保证正常启动。超级电容器工作温度范围是-40℃～65℃，在低温环境下有较好的放电能力，当汽车处于低温环境时，蓄电池放电能力下降，通过超级电容器与蓄电池并联来辅助汽车启动，可以确保启动时提供足够的启动电流和启动次数，来保障汽车的正常启动。同时，在此过程中，避免了蓄电池的过度放电现象，对蓄电池起到极大保护作用，延长铅酸蓄电池的寿命[11]。

电动汽车的动力源包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等。普通电池虽然能量密度高、行驶里程长，但是其充放电时间长、无法大电流充电、工作寿命短等不足。与之相比，超级电容器功率大、充电速度快，输出功率大，制动能量回收效率高。当电动汽车或混合动力汽车在加速过程中，超级电容器还可以通过提供瞬时脉冲功率，极大地减少汽油等燃料的消耗[12]（如图2所示）。

4.结语

目前，超级电容器在世界范围内都属于朝阳工业，掌握相关技术并实现工业化的国家寥寥可数。但是未来几年内，随着社会经济的不断发展，高比容量，高比功率的超级电容器必将激发一个巨大的新市场。其应用领域涉及社会发展的方方面面。未来超级电容器发展的方向是采用何种电极材料、何种方法，提高它的比能量、比功率及寿命，从而扩大它的使用范围[13]。

参考文献

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[9] S Suryanarayanan， F Mancilla-David. Achieving the Smart Grid through customer-driven microgrids supported by energy storage[J]. Industrial Technology， 2010，3：884-890.

超级电容器范文第5篇

电能和燃油的紧缺使人们开始寻找更多的替代能源，超级电容器弥补了铝电解电容和可充电电池之间的技术缺口，同时又克服了两者的缺陷。它们与传统的电池系统不同，能够以很高的电流进行充电和放电，不会老化。超级电容器的热响应能力也优于电池系统，它的充放电次数可达50万次，具有相当长的使用寿命。由于超级电容器不是通过化学反应来充电的，而是通过在导电碳粒子的表面积累电荷进行充电的，因此它的充电电流可以非常高，这对电池来说是不可能的，因为电池本身具有很高的内阻。电池充电是一种电化学反应过程，受到了反应动力学的限制，而超级电容器则没有充电时间的限制。

作为目前替代能源应用领域的一个极佳的技术解决方案，超级电容器在需要更高效更可靠电源的新技术领域中逐渐崭露头角。

超级电容器存储的能量主要可以通过三种方式来使用：

它能够向汽车电气系统馈电，减轻车载发电机的负担，

起纯粹的增强作用，也就是说，在换挡时，增大电动机的扭矩，提高加速度；

启动辅助：使电动机从某个固定的状态启动加速汽车。这在某些需要反复启停的特殊操作中能够大大节省能源。

混合能源汽车与超级电容器

超级电容器在混合能源技术汽车领域中所起的作用是十分重要的。随着能源价格的不断上涨，以及欧洲汽车制造商承诺在1995年到2008年之间将汽车CO2，的排放量减少25％，这些都促进了混合能源技术的发展。宝马、奔驰和通用汽车公司已经结成了一个全球联盟，共同研发混合能源技术。

混合能源汽车可以分成三类：轻微混合、中度混合和完全混合。轻微混合型使用一种更强大的启动器，能够在停车时熄灭引擎，在再次加速时重新启动引擎。这种小型的改进可以在城市行车条件下节省8％的能源，同时能够大幅度减少尾气排放。

另外一种改进就是中度混合技术，就是使用一个电动马达，在汽车停止后开始加速的前30s增大其加速度。这项技术需要大规模存储再生能源，通过使用超级电容器很容易实现，在需要反复启停的城市行车条件下能够节省15％的燃料。

最后，完全混合能源技术将为汽车配备更强大的电动马达和高能电池，产生高达75kW的功率，能够在短距离加速过程中实现全电动推进。这种设计能够节省20％的能源。

这些新技术中有很多将会使用替代能源，例如太阳能、风能或者燃料电池。但是由于能量来源本身的特性，决定了这些发电的方式往往具有不均匀性，电能输出容易发生变化。

随着风力和太阳光强度的变化，这些能源产生的电能输出也会发生相应的变化。这就需要使用一种缓冲器来存储能量。

由于这些能源产生的电能输出可能无法满足消费者一方的峰值电能需求，因此可以采用能量缓冲器在短时间内提供所需的峰值电能，直到发电量增大，需求量减少。另外，在能源产生的过程是稳定的而需求是不断变化的情况下，也可以使用能量缓冲器。

在使用替代能源技术的汽车驱动领域，超级电容器也是一种新型的关键部件。在采用燃料电池供电的汽车中，如果结合使用超级电容器，那么燃料电池就可以满足持续供电需求，而不仅仅是峰值供电。

除了能够满足峰值供电的需求外，超级电容器还具有其他器件无法比拟的响应时间。将超级电容器的强大性能和燃料电池结合起来，可以得到尺寸更小、重量更轻、价格更低廉的燃料电池系统。

超级电容器与氢燃料电池的完美结合

正处于研发阶段的氢燃料电池能够应用于多个领域。这种氢燃料电池与风能或人阳能不同，只要有氢燃料，它就能够持续输出稳定的电能。

然而，某些应用场合对能量的需求随着时间的变化有很大不同。汽车就是一个直接的例子，因为它们在加速过程中需要的能量比匀速行驶时要高得多。如果没有能量存储器，氢燃料电池就要做得很大，以满足最高的峰值能量需求，其成本就会大得无法忍受。通过将过剩的能量存储在能量存储器中，就可以在短时间内通过存储器提供所需的峰值能量。

混合能源的内燃／电动汽车是迈向燃料电池汽车时代的重要一步，因为真正的驱动部件都是电动的。当然，采用电池的全电动汽车也是一种方案，但是全电动汽车的驱动范围非常有限。相比为内燃引擎或燃料电池添加燃料所需的时间来看，全电动汽车再充电所需的时间更长。

基于这些原因，很多汽车制造商最初都选择生产混合能源汽车。这使得他们有机会进一步研究和改善高效燃料电池系统所需的电子驱动器和再生系统。

超级电容器范文第6篇

【关键词】超级电容器 电池 双向DC/DC变换器 复合电源

超级电容器是一种新型电荷储能元件，是基于电容器储能的原理实现超级电容器的充放电过程，它具有良好的低温特性和高倍率充放电性能。-40℃时超级电容器的电特性与常温时基本一致，保证了低温状态下的优异性能。超级电容器与蓄电池构成的复合电源系统，能够使系统的短时功率高倍率输出，也能保持持久的动力性能。选用双向升降压DC/DC变换器实现电池在低于或高于超级电容器电压时确保电池的充放电正常；双向DC/DC变换器使超级电容器与电池的功率在系统对外充放电时处于最佳状态。

一、超级电容器接直流母线

通过DC/DC变换器将蓄电池与超级电容器（直流母线）相连。此电路的优点是：直流母线上的大部分高倍率充放电电流直接流入/流出超级电容器。DC/DC变换器仅仅控制很小的蓄电池充放电电流。所以DC/DC变换器的容量就能大大减小，有益于降低成本，提高可靠性。另外，因超级电容器能够吸收直流母线上的短时高倍率充放电电流，同时也对DC/DC变换器快速型的要求大大降低，降低了DC/DC变换器性能指标的要求，降低研究风险。

超级电容器与直流母线连接复合电源示意图如图3。

图3 超级电容器与直流母线连接复合电源

二、双向升降压型变换电路

由于超级电容器的电压可能高于或者低于蓄电池电压，DC/DC变换器应该是升/降压型变换器，又因蓄电池需要充放电，所以DC/DC变换器应该是双向变换器电路如图4。

图4 双向可升降压变换器电路拓扑

控制方式采用电流型控制方式，以确保流入/流出蓄电池的电流基本上为恒流值。当输出电压小于输入电压时，选用降压型变换器控制；输出电压大于输入电压时，采用升压型控制；输出电压接近输入电压时采用反激式变换器的控制方案。

本实验的直流母线的电流为50A，蓄电池的电流为10A，变换器的电流也为10A， DC/DC变换器额定电流为20A。

（一）系统主要技术指标

直流母线电压：252～410V；电池电压：252～400V；

最大充放电电流：±50A；最终成果：±150A

DC/DC变换器：250～400V，±20A，带有过电压、过电流、过热保护；最终成果：±50A，带有过电流、过电压、过热保护。

超级电容器组：44F/400V（160只3500F/2.5V超级电容器串联）。

蓄电池组：按实际应用需求设置。

（二）测试结果

本实验测试结果如下：复合电源直流母线放电电流50A（峰值）；放电周期3.75s，脉冲宽度0.75s，间歇3s；蓄电池放电电流10A（持续）。

复合电源直流母线电流波形如图7，DC/DC变换器蓄电池侧电流波形如图8，直流母线电压波形如图9。

图7 直流母线电流波形

图8 DC/DC变换器蓄电池侧电流波形

图9 直流母线电压波形

从上述测试结果可以看到，当复合电源以占空比0.2条件下放电时，复合电源能立即响应直流母线的负载变化，此时蓄电池则持续放电，电流为复合电源输出电流峰值的1/5。

在复合电源放电时，直流母线电压随放复合电源输出电压上升。在这种循环充放电状态下，虽然直流母线电压稍有变化，但复合电源的电压范围上下极限（352V～410V）远大于其直流母线电压，所以此系统完全可以满足性能需求。

参考文献：

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[2]陈永真，宁武，孟丽囡，单管变换器及其应用，机械工业出版社，2006年4月

[3]王志功，集成电路设计，电子工业出版社，2009年06月.

作者简介：

超级电容器范文第7篇

摘 要： 石墨烯基超级电容器电极材料，其广阔的应用前景已经引起国内外极大的关注。为了更全面的把握石墨烯基电极材料专利申请态势，本文综述了石墨烯基电极材料专利发明的技术演进，重要申请人的研究热点，作者试图对电极材料进行分类，分析不同种类电极材料的优缺点，从不同角度归纳电极材料性能的影响因素。

关键词： 超级电容器；电极材料；石墨烯

1 超级电容器基本原理

超级电容器，介于常规电容器与二次电池之间的一种新型储能器件，其比容量为传统电容器的20-200倍，比功率一般大于1000 W/kg，电极循环寿命大于105次，同时兼有常规电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点。

超级电容器的构成主要包括电极材料（活性物质、导电剂、粘合剂）、集流体、隔膜、电解液。

根据储能形式的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容电容器（法拉第准电容器）。双电层电容器基于双电层理论。赝电容电容器则基于法拉第过程。影响超级电容器的电化学性能的主要因素为超级电容器的电极材料，超级电容器电极材料主要包括：碳材料、导电聚合物材料及金属氧化物材料，以及上述材料的复合材料。石墨烯 （Graphene）是一种碳原子紧密堆积成的单层蜂窝状晶格结构的新型碳材料，被称为单层石墨，其厚度为0.34 nm，被认为是零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨的基本结构单元。

2 专利申请情况分析

检索中，中文数据库选择CNABS，外文数据库选择VEN。采用以关键词为主、分类号为辅的检索方式。检索关键词包括：石墨烯、石墨、超级电容器、电极材料、graphe#e+、graphite+、super 1w capactor+、electrode material+。检索涉及的分类号集中在H01B、H01M以及H01G@几个小类中。

3 技术主题分析

3.1 全球石墨烯基超级电容器电极材料专利申请趋势

全球近10年的专利申请量如图1所示，可以看出2006-2007年的申请量偏少，2008-2011年出现了申请量的急剧增加，2012年出现了申请量的最大值，2013-2014年申请量有减少的趋势，这种现象可能是由于近两年申请的专利还未完全公开，中国的申请量随时间的变化同全球申请量变化趋势一致。

3.2 全球主要国家及地区专利申请量分布

申请量最多的是中国，占这一领域申请的59.48%，可以看出中国在储能材料领域占有绝对优势；其次是美国，而WO及其他国家对石墨烯基超级电容器电极材料这一领域的研究力量投入尚不多，研发实力较薄弱。

3.3 全球重要申请人分析

国内的海洋王照明科技股份有限公司、中国科学院金属研究所、美国的JANG B Z个人、三星电子有限公司、浙江大学的申请量排名比较靠前。

海洋王照明科技股份有限公司在石墨烯基超级电容器电极材料领域投入了较多的研究力量，该公司在石墨烯基超级电容器电极材料的研究方向根据电极材料的种类主要分为：特殊原子掺杂的石墨烯或石墨烯材料、石墨烯-碳材料、石墨烯-聚合物、石墨烯-金属材料等。（JANG-I） JANG B Z作为美国具有代表性的个人申请，其在石墨烯的制备，石墨烯、氧化石墨烯作为超级电容器电极材料以及超级电容器的成品组装方面进行了一系列研究。三星电子有限公司其研究重点在于石墨烯材料的微观调控、超级电容器的组装以及工业化应用方面，可以看出国外公司的研究更注重石墨烯材料的产业化应用。

3.4 石墨烯基电极材料的研究发展趋势

石墨烯基超级电容器电极材料的研究起初，最核心技术在于石墨烯的制备。石墨烯基超级电容器电极材料的研究第二阶段为一元石墨烯基超级电容器电极材料，是指直接将石墨烯或者改性后的石墨烯作为超级电容器电极材料。石墨烯基超级电容器电极材料的研究第三阶段为二元石墨烯复合电极材料，是将石墨烯与导电聚合物、金属、碳材料等进行复合之后形成电极材料。石墨烯基超级电容器电极材料最近的研究重点和热点在三元石墨烯电极材料的制备和性能研究。

早期的石墨烯的制备研究阶段，美国发挥着主导作用。中国在随后也开始了不同微观形状的石墨烯的制备，包括球状、三维多孔状、单层以及多层石墨烯材料。一元石墨烯电极材料的研究中，美国依然是先驱者。随后，美国、韩国、日本的研究热点从材料转向超级电容器、电池的组装以及商业化应用。中国的研究热点依然停留在材料性能的改进方向，在二元、三元复合材料研究中，大部分为中国申请。

4总结和展望

石墨烯基电极材料是一种新兴储能材料，根据我国的形势，石墨烯基储能材料必然得到更广泛的用途。石墨烯基储能领域的发展，应该基于电极材料的性能提升和工业化两方面着手。通过合理的改性和拓展新用途，达到一定有益效果，并且能够投入工业化生产应该是现在超级电容器电极材料的主流发展。

参考文献

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超级电容器范文第8篇

Cheng Shaobo； Kang Shuai

（School of Materials Science and Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

摘要：超级电容器以其诸多优良特性而得到越来越广泛的应用。超级电容器性能主要取决于电极材料，电极材料制备原料有多种，本文列举了其中三种，分别对其特点进行描述，并展望了超级电容器的应用前景。

Abstract: The super-capacitors are more widely used for its many fine features. The performance of supercapacitors mainly depends on electrode materials. The preparation materials of electrode materials is various. This paper listed three of them, respectively described their characteristics and look for applications of supercapacitor.

关键词：超级电容器 电极材料 活性 原料

Key words: supercapacitor；electrode material；activity；materials

中图分类号：TM53文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）15-0053-01

0引言

物理学家Helmholtz，Gouy，Chapman等先后发现并且证实，当把金属板或者其他导电体浸入电解质溶液中时，会在电极界面两侧形成稳定的、符号相反的正、负电荷层，即双电层。根据电化学界面的双层原理设计了电化学双电层电容器，也称为超级电容器，这是一种比容量为普通电容器的20~200倍，比功率通常大于1000W/kg，循环寿命大于105次，可进行快速充放电，兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的新型储能装置[1]。本文列举了现今常用的制备超级电容器电极材料的三种原料：利用竹子、椰壳、稻壳制备，并对比了他们各自的特点。

1电极材料制备原料

1.1 竹基多孔炭超级电容器竹子生长迅速，成材很快，是木材短缺情况下的主要替代性资源。竹材经高温热解得到竹炭，是对竹材资源的有效利用，是竹材工业化的一个发展方向[2]。竹材具有特殊的空隙构造，经过高温热处理形成的竹炭继承了其原有的大空隙结构特征。孔径主要分布在0.55~5.5μm之间[3]。化学活化竹炭所得材料的比表面积高，约为2200m2/g。该方法主要受到我国竹类资源分布不均的限制。全国竹类植物共有48个属，500多种。这些竹种分布在北纬40°以南的广大国土上。由于各地气候、土壤、地形的变化和竹种本身种属特性的差异，中国竹子分布具有明显的地带性和区域性。

1.2 椰壳活性炭基超级电容器椰壳活性炭用于超级电容器的性能较好，是比较适合工业生产的多孔炭材料之一。由椰壳制备得到的活性炭其体积密度为0.37g/cm3，颗粒大小为4.8μm，BET比表面积1660m2/g，总空隙体积为0.85cm3/g，中孔体积0.21cm3/g[4]。测得的椰壳活性炭的比容量值对其1660m2/g的比表面积而言并不大，这表明其表面积并没有得到充分的利用；比能量密度、比功率密度等性能还有待提高。该方法也受到我国椰壳资源分布不均的限制。椰子对生活环境的要求很高。椰子为热带喜光作物，在高温、多雨、阳光充足和海风吹拂的条件下生长发育良好。最适生长温度为26-27℃。一年中若有一个月的平均温度为18℃，其产量则明显下降，若平均温度低于15℃，就会引起落花、落果和叶片变黄主要分布在南北纬20°之间，尤以赤道滨海地区分布最多。此外椰壳产量小也是影响其应用的主要因素之一。

1.3 稻壳活性炭基超级电容器以稻壳为原料，可以制备出中孔发达的高比表面活性炭。在化学活化法的工艺条件下制备的稻壳活性炭比表面积高达2164m2/g，中孔含量达到61.15%，平均孔径2.6nm，样品的碘吸附值达到1471mg/g，亚甲兰吸附值达到525mg/g[5]。稻谷是我国最主要的粮食作物之一，目前，我国水稻的播种面积约占粮食作物总面积的1/4，产量约占全国粮食总产量的1/2，在商品粮中占一半以上，产区遍及全国各地。稻壳是稻米加工过程中数量最大的副产品，按重量计约占稻谷的20%。以2008年世界稻谷年产量6.66亿吨计，世界年产稻壳约1.332亿吨。我国2008年稻谷年产量为1.930亿吨，年产稻壳约为3860万吨，稻壳的饲用营养成分含量很低，再加上稻壳表面木质素排列整齐密实，将粗纤维紧紧包围住，所以动物吃了不易消化，总消化率只能达到5％-8％。大量的稻壳资源只能浪费。利用稻壳为原料制备超级电容器用活性炭材料，充分利用了来源广泛，成本低廉的稻壳资源，而且得到的活性炭性能优异，是上述三种制备原料中最有推广价值的。

2活性炭的拓展应用

超级电容器的应用十分广泛，可以被用做UPS电源，可以和电池连用为通讯产品、电动车等电子设备提供必须的瞬时大电流脉冲，可以作为燃料电池车紧急刹车时电力系统过量电荷的存储元件，也可以取代电池作为记忆存储元件等等[6-7]。由于超级电容器可以快速充放电，且循环寿命长，适用温度范围宽，自放电小，因而可以用在太阳能路灯，草坪灯，交通信号灯，电动玩具等产品中。超级电容器也可以用作备用电源，当主电源出现故障、因振动而接触不良或需要更换电源时，备用的超级电容器可自动发挥作用，提供稳定的能量输出，应用于照相机、智能燃气表、多功能电话机、汽车音响、光盘可读机、充电式数字万用表、电梯等产品中。由于超级电容器充放电迅速，工作温度范围较宽，循环寿命长，基本不需要维护，因此可以作为潜艇、船只以及车辆的主辅电源，坦克、装甲车等的超低温启动电源，航天器、雷达等的动力电源，野战医院医疗器械的主辅电源，单兵小型电台的主辅电源等[8]。

3结论

制备活性炭的原料来源非常丰富，除了常用的石油、煤等不可再生资源，竹子、椰壳、稻壳等都可以用来制备活性炭粉。近年来的研究表明，稻壳更易于制备高比表面积的活性炭，而且稻壳相对于另外两种原料，具有分布广泛，成本低廉等特点，是一种值得推广的制备活性炭的原料。表面积和孔径分布是影响活性炭性能最重要的两个因素，研制高比表面和高中孔含量的活性炭是开发高比能量和高比功率超级电容器的关键。以上三种原料均可制得具有高比表面积和高中孔含量的活性炭。超级电容器以其高功率密度、极长的使用寿命、超短的充电时间、高可靠性、免维护等诸多优良特性而得到越来越广泛的应用，极具发展潜力。

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超级电容器范文第9篇

关键词：超级电容器；电极材料；复合材料

随着全球资源匮乏、生态环境遭到破坏和气候变暖等问题的出现，人类将更加关注太阳能等可再生能源的应用。但是可再生能源本身的特点决定了这些发电形式和电能输出常常受到季节、气侯和地域的影响，具有明显的不稳定性和不连续性。要解决这一缺陷必须要发展与之配套的高效储能装置，而超级电容器是一种介于二次电池和常规电容器之间的新型储能装置。同时兼有常规电容器大功率密度和二次电池高能量密度的优点，且超级电容器还具有无污染、使用温度范围广、安全性高等特点，故超级电容器在新能源发电等领域中具有广泛的应用前景。近年来，科研人员先后开发使用了多种电极材料，大致可将其分为三大类，即碳基电极、金属氧化物、导电聚合物。

1 碳基电极

在目前使用的超级电容器中，应用最广泛的电极材料就是具有高比表面积和多孔结构的碳材料。至今报道过的碳材料有碳纤维、碳纳米管以及石墨烯等。碳基材料是利用双电层储能原理，即在电解液中的电极表面与溶液两侧分布电荷数量相等，但是符号相反的离子层，在电极上和溶液中形成了两个电荷层，即常说的双电层，于是相间产生了电位差，故可通过这个原理，通过增大碳材料的比表面积来提高超级电容器的比电容。

炭纤维在性能方面较活性炭材料相比，具有更大的优势，其孔道畅通，不同孔径间连接比较紧密，有利于电荷的吸附和电解液的传输，同时耐热性优良、膨胀性低并且具有良好的化学稳定性，故是优良的电极材料。2014年5月Hsu等[1]通过静电纺丝技术由N、N-二甲基甲酰胺、聚丙烯晴（PAN）和聚丙烯晴-丁二烯（PAN-co-PB）制备了相互连接的碳纳米级纤维，其制备的碳纳米纤维经电化学测试显示出高比电容量和良好的循环寿命，证实了相互连接的碳纳米纤维在超级电容器应用中的优势。另一种碳基材料石墨烯在超级电容器应用领域具有巨大的潜力，其具有超大比表面积、高电导率和化学稳定性等优异的特性[2]。但在实际应用中，石墨烯自身还是存在着一定缺陷，例如其表面难以被电解液润湿，亦或石墨烯片层之间较强的范德华力造成的团聚现象，因此对石墨烯的研究还在进一步探索。目前解决办法一是非共价键的表面改性，二是利用过渡金属氧化物对石墨烯进行表面改性从而提高其应用范围。

2 属氧化物

以金属氧化物作为电极材料的超级电容器属于法拉第赝电容，赝电容不仅在电极表面上产生，也可以产生于整个电极内部，故可得到比双电层电容更高的电容量。金属氧化物电极材料的电容量通常可达到双电层电容的10～100倍，由此可见金属氧化物具有很好的应用前景。用于超级电容器的金属氧化物以氧化钌为代表，虽然其具有较高的比电容量和导电性，但由于成本过高限制了其商业化应用。因此，近几年研究的重心主要集中在氧化i、氧化钴等较便宜的金属材料上。

二氧化锰材料具有对环境友好、价格低廉以及电化学工作窗口宽的特点，并且二氧化锰电极材料的超级电容器可采用中性电解质溶液，如Na2SO4的水溶液，而不像其他金属氧化物超级电容器必须采用强碱或强酸的电解质，这就使二氧化锰基超级电容器更加环保，并且组装及使用更加方便和安全。此外将纳米技术应用于超级电容器电极材料领域，可利用纳米级二氧化锰电极材料高的比表面积、较短的电子输运距离，来大大提高其电化学活性。1999年Goodenough等人首次研究了无定型二氧化锰电极材料在超级电容器中的应用，其利用共沉淀法制备二氧化锰电极材料的超级电容器，在2 mol/L的KCL电解液中，比电容可达203 F/g[3]。自此，还有很多类型的二氧化锰电极材料得以发展。另外Kuang等[4]合成了蒲公英形态的NiCo2O4介孔微球，研究表明用这种材料作为超级电容器的电极，拥有很好的大电流放电能力和优秀的循环放电寿命，具有良好的应用前景。

3 导电聚合物

相比与前两种电极，导电聚合物是一种新型的电极材料，其比电容通常是碳基材料的2～3倍，并兼有成本低、充放电时间短等优势。导电聚合物是通过充放电过程的氧化还原作用，在聚合物膜上产生快速n型或p型掺杂、脱掺杂来储存高密度电荷从而产生大法拉第电容。目前，常用的材料有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）等具有共轭结构的聚合物及其衍生物。

Yue等[5]将聚吡咯包裹在棉纤物表面上，制作成了一种可长短伸缩的电极，其原理是利用乙腈和对甲苯磺酸的混合液通过电化学聚合法将聚吡咯涂于棉纤物表面。在1.0 mol/L的NaCl电解液中该材料的电极表现出很好的应张力，并且能够保持良好的循环稳定性和伸缩性。

目前，复合材料展现出优异的高比电容和稳定性的特点，利用不同材料间的协同作用，通过复合、掺杂等方式来实现材料的复合化；以及实现电极材料的纳米化，来改善电子、离子传输扩散路径，从而提高电极性能，是未来研究的主要方向。

参考文献

[1] HSU Y H， LAI C C， HO C L， et al. Preparation of interconnected carbon nanofibers as electrodes for supercapacitors [J]. Electrochim Acta， 2014， 127（1）： 369-376.

[2] 滕牧.石墨烯基材料在超级电容器中的应用[J]. 电子元件与材料， 2014， 33（9）： 11-13.

[3] Lee H Y， Goodenough J B.[J]. Solid state chem， 1999， 144：220.

[4] KUANG M， ZHANG W， GUO X L， etal. Template-free and large-scale synthesis of hierarchical dandelion-like NiCo2O4microspheres for high-performance supercapacitors [J]. Ceram Intern， 2014， 40（7）： 10005-10011.

超级电容器范文第10篇

中图分类号：TM7文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)04(a)-0000-00

近年来，为了解决化石能源枯竭问题和环境负面影响，现代科技社会要求大规模使用存贮密度大，功率密度大，能源清洁的储能装置，使得超级电容器的研究成为热点。超级电容器是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能，这是一种没有感应电流的电能存贮过程。这种存贮电能的方式的效率要比燃烧系统高很多。超级电容器的性能主要取决于所使用的电极材料和电解液，相比电解液，电极材料的改善能更显著地提高电化学性能。目前对电极材料的研究工作多数集中在单一的碳电极材料，金属氧化物电极材料以及导电聚合物电极材料。

碳材料由于其高比表面积，循环稳定等特点，发展迅速，先后研制出活性碳、活性碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管，多孔碳等，目前已经商业化。但是碳材料的结构、表面官能团和孔径分布差异性较大，不能保证比电容大。

部分金属氧化物电极材料性能优异，例如RuO2。RuO2电导率大，尺寸稳定，用热化学分解法制得的高比表面积RuO2作为电极材料，具有比电容大，循环稳定等特点，其性能优于碳材料。然而钌是一种贵金属，价格昂贵，用于生产电极材料时成本高，并且有毒，不能满足市场需求。

导电聚合物以聚苯胺为代表，具有良好的化学稳定性和快速的脱掺杂能力，掺杂后导电性良好，比能量比碳材料大2-3倍，对环境无污染，价格低廉，但长期稳定性相对较差，限制了它的广泛发展。

因此部分研究者逐步转向复合材料的研制工作，发现将不同种类的电极材料，经过物理或化学方法复合后，性能优于单一的电极材料，是一类具有广阔应用前景的新型电极材料。

1金属氧化物—碳材料复合电极材料

这类复合材料是一般是将导电性良好的金属氧化物作为一种载体，利用特定的方法将碳材料吸附在金属氧化物表面形成复合物质。通常情况下，由于复合物质的表面形貌发生变化，从而导致它的比电容，循环稳定性等电化学性能显著提高。

Lee[1]等以KMnO4为起始原料，乙醇为还原剂，利用一个简单的水热法制得石墨/Mn3O4复合材料，Mn3O4粒径尺度在100nm-1um，均匀分布在石墨表面。组装成电容器后，经过10000次以5A/g速率的放电循环测试，发现其比电容保留率为100%。

晏善成，吴建盛[2]利用微波辐射法，将高比表面积的MnO2和结构规整，粒径分布合理的碳纳米管，合成了氧化锰/多壁碳纳米管纳米复合材料，然后组装成电容器，在透射电子显微镜下进行形貌分析，发现氧化锰纳米粒子凝聚成球形颗粒，随机地交联在碳纳米管上，形成准三维网络结构。经过计算，电容值可达232.4F/g。用不同扫描速率扫描后，发现复合电极材料的电容都要高于单一电极材料的电容。

郭永兴等[3]以活性中间相碳微球（活性MCMB）为原料，采用KOH活化法制备了高比表面积的活性中间相碳微球，在超声波条件下将KBrO3作为氧化剂得到MnO2/活性相碳微球复合电极材料，然后组装成电容器，在场发射扫描电子显微镜下进行形貌分析，发现活化后原来表面光滑球型的MCMB变得粗糙，MnO2填充在球内孔隙，分布均匀。经过测定在30%KOH电解质中的电化学特性，发现在0.5 A/g电流密度下，比电容可达403.5 F/g。

2 碳材料—导电聚合物复合电极材料

通常运用一定的聚合方法或混合方法，在碳材料表面引发聚合反应来制备碳材料—导电聚合物复合材料。复合物质结构发生改变，呈一种特殊的规则排列，从而使得电化学性能提高，但两种物质存在一定的配比才会得到最佳效果。

Q.Wu[4]等通过真空过滤，将石墨和纳米聚苯胺混合形成复合薄膜，这种复合薄膜为层状结构，聚苯胺夹在两层石墨之间。该薄膜表面稳定，有较高的形变能力。当薄膜表面含有44%的石墨时，其电导率比单一纳米聚苯胺高10倍。将它组装成电容器后，经过电化学测试0.3A/g的放电速率，比电容可达210F/g，稳定性也得以提高。

高峰阁，田艳红[5]运用原位聚合的方法在活性炭表面引发噻吩发生聚合反应，合成了不同配比的聚噻吩/活性炭复合材料作为超级电容器的电极材料，并研究了不同配比对材料电性能及结构的影响。采用傅里叶红外光谱及场发射扫描电镜研究了材料的化学结构及表面形态，并评价了材料电性能。结果表明，当活性炭与噻吩的摩尔比为10∶1时,复合材料呈蓬松的网状纤维连接，有较多的孔洞，其比容量可达401.7F/g。随着充放电电流密度由100mA/g增加到900mA/g，复合材料比容量由401.7F/g减小到267.8F/g，保留率达到66.7%。

3金属氧化物—金属氧化物复合电极材料

金属氧化物之间的复合方法有多种，其中最常用的方法是共沉淀法。通常得到的复合物结构比较规整，表面存在空穴，所得物质同样存在一种最佳的配比才能使电化学特性显著提高，远远好于各自金属氧化物电极材料。

Kim等[6]用Ni-Ti合金作为阳极，以乙二醇溶液为电解质，通电后使阳极氧化，形成NiO-TiO2阵列。通过扫描和透射电镜，X射线衍射等方法观察该阵列的形貌，随着反应通电电压的升高，可以观察到得到的阵列由不规则变为规则的六角对称结构。但是当电压为80V时，由于反应速率过快，薄膜顶部出现损坏。当镍钛比例为1：2时，比电容最高可达300F/g。

朱晔等[7]采用液相共沉淀法制备了摩尔比为3∶1的SnO2-Co3O4复合物，并用X射线衍射等方法测试了样品的结构和形貌，然后分别分析了纯SnO2、纯Co3O4和SnO2-Co3O4复合物电极的电化学性能。研究表明：SnO2的掺入增加了Co3O4样品的孔穴率。以6 mol/L的KOH作为电解液，发现SnO2-Co3O4复合物电极的比电容量可达326F/g，远高于纯SnO2(比电容约为111 F/g)和纯Co3O4的比电容(比电容约为55 F/g)。复合电极在充放电循环1000次后，其比容量衰减了4.9%。

4金属氧化物—导电聚合物复合电极材料

这类复合材料制备方法较为简单，通常采用电极沉积法，并且一般不存在配比问题，所得物质的尺寸均匀，比表面积大，具有较高的比电容。

R.Liu等[8]将PEDOT纳米线浸泡在高锰酸钾溶液中制得纳米级MnO2—PEDOT复合物，通过SEM和TEM等方法测试样品的结构和形貌，发现纳米MnO2粒子具有均匀的尺寸，并均匀地分散在PEDOT表面，当改变高锰酸钾的浓度时，得到的纳米MnO2尺寸发生改变。由于所得复合物的高比表面积，经过电化学性能测试，比电容最高可达410F/g。

SHARMARK等[9]在恒定电流条件下，以MnSO4和吡咯为原料在石墨电极上沉积制得MnO2/PPY复合材料，将0.5mol/L的Na2SO4作为电解液，研究发现复合电极比容量可达620F/g，远高于纯PPY电极（比容量约为250F/g），且复合材料充放电1000次后比电容下降10%，之后的4000次基本不衰减。

5结束语与展望

超级电容作为一种新型的储能装置，可以广泛应用于汽车、国防、通讯等领域。即便科学工作者对电极材料有诸多的研究，各种电极材料仍有自身的缺点。既然已经研制出一些性能较优异的二元复合电极材料，可以继续尝试研制性能优异的三元复合电极材料。目前已经有部分工作者研制出性能优异的三元复合电极材料。Y.HOU等[10]研制出的MnO2/纳米碳/导电聚合物作为电极，其比电容最高可达417F/g。综合各种因素，如何去改善这些缺点，如何能巧妙地用一定方法将各种电极材料的优点结合起来，并且降低成本，减少对环境的污染依旧是超级电容器电极材料的研究重点。

参考文献

[1] Jeong Woo Lee, eta.l A Facile and Template-Free Hydrothermal Synthesis of Mn3O4 Nanorods on Graphene Sheets for Supercapacitor Electrodes with Long Cycle Stability[J].Chemistry of Materials, 2012,10:1-22.

[2] 晏善成,吴建盛.氧化锰/碳纳米管超级电容器复合电极材料的制备[J].南京邮电大学学报, 2011,8(4):134-137.

[3] 郭永兴,李泽胜,林琳,李庆余.王红强超级电容器新型复合电极材料MnO2/活性MCMB的研究[J].电子元件与材料,2010,5(29):41-44.

[4] Qiong Wu, eta.l Supercapacitors Based on Flexible Graphene/Polyaniline Nanofiber Composite Films[J].ARTICLE,2010,4:1963-1970.

[5] 高峰阁,田艳红. 聚噻吩/活性炭复合材料作为超级电容器电极材料的电性能[J].高分子材料科学与工程,2011,2(27):152-155.

[6] Jae-Hun Kim, eta.l Microstructure and Pseudocapacitive Properties of Electrodes Constructed of Oriented NiO-TiO2 Nanotube Arrays[J]. Nano Letters. 2010, 10: 4099–4104.

[7] 朱晔,盛锦,许娟,王文昌,陈智栋.SnO2-Co3O4复合物的合成及其超级电容器性能[J]. 化工新型材料.2011,1(39):58-61.

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[9] 殷金玲,李一栋.导电聚合物复合材料作为超级电容器电极材料[J].化学工程师.2011,7:42-47.