超級(jí)電容器可稱為大容量電容器、儲(chǔ)能電容器、（黃）金電容器、雙電層電容器或法拉電容器，其英文名稱為EDLC，即ElectricDoubleLayerCapacitors，俗稱UltraCapacitors、GOLDCapacitors、SuperCapacitors，以法拉為單位，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種功率型電子元器件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲(chǔ)存電能，但在其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。相比蓄電池而言，超級(jí)電容器作為新型儲(chǔ)能裝置具有適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、溫度特性好、使用壽命長(zhǎng)、可快速充電等諸多優(yōu)點(diǎn)。

目前，超級(jí)電容器在汽車、鐵路、通訊、電力、特種、消費(fèi)電子等應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值與市場(chǎng)潛力，受到世界上很多國家的廣泛關(guān)注。作為一種無源器件，超級(jí)電容的特性介于普通電容器和電池之間，不僅具有大電流快速充放電的特性，還具有電池存儲(chǔ)能量特點(diǎn)，可重復(fù)使用，而且壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容（SC）釋放電流是因?yàn)閷?dǎo)體間的移動(dòng)電子，而非單純的化學(xué)反應(yīng)。隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的進(jìn)一步普及，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境和綠色能源重視度提高，作為一種新型的儲(chǔ)能元件，超級(jí)電容由于不可替代的優(yōu)越性，受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?，工程師已?jīng)開始在需要高功率，高效率方案設(shè)計(jì)中使用超級(jí)電容器來代替蓄電池。

超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)

圖2為超級(jí)電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)中，多孔電極一般使用活性炭粉、活性炭、活性炭纖維等。電解質(zhì)使用有機(jī)電解質(zhì)，如碳酸亞丙酯或四氯化鈦。多孔活性炭具有較大的表面積，在電解質(zhì)中吸附電荷，這可以儲(chǔ)存大量靜電電荷。相比蓄電池而言，盡管超級(jí)電容能量密度較小，但此種存儲(chǔ)能量的方法可以替代傳統(tǒng)電池在儲(chǔ)能方面的不足，也可以應(yīng)用在需要短時(shí)高峰值電流的場(chǎng)合。

（2）超級(jí)電容工作原理

超級(jí)電容是利用雙電層原理的電容器，當(dāng)給超級(jí)電容器的兩個(gè)極板外接電壓時(shí)，正電極和負(fù)電極分別存儲(chǔ)不同極性電荷，這與普通電容原理相同。超級(jí)電容器電荷運(yùn)動(dòng)在雙極板上產(chǎn)生電場(chǎng)，由于電場(chǎng)力作用，在電極與電解質(zhì)之間的界面處形成了相反的電場(chǎng)，以此來平衡電解質(zhì)的內(nèi)部電場(chǎng)。正電荷與負(fù)電荷處于兩個(gè)不同極性之間的短間隙接觸面上，其中電荷分布層稱為雙電層，電容量非常大。當(dāng)電解質(zhì)的氧化還原電極電勢(shì)高于兩極板之間的電勢(shì)時(shí)，電解質(zhì)不會(huì)與電解質(zhì)界面上的電荷分離，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)。如果電解質(zhì)的氧化還原電極電勢(shì)低于電容兩端的電壓，電解質(zhì)將與界面的電荷分解，這樣將是異常狀態(tài)。若正極板和負(fù)極板上儲(chǔ)存的電荷通過外部電路放電，超級(jí)電容器電解質(zhì)界面處的電荷量逐漸減小。由此可知：超級(jí)電容器的充放電是物理過程，無復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，所以相比化學(xué)反應(yīng)的蓄電池，其性能更穩(wěn)定。

（3）超級(jí)電容的特點(diǎn)

①體積小、容量大：相比同體積的電解電容而言，超級(jí)電容的電容量大許多倍。超級(jí)電容器的可極化電極使用活性炭粉和活性炭纖維，增加了電極與電解液接觸的面積，由于兩極板的表面積與電容量成正比，這就使電容的容量增大。通常超級(jí)電容器的容量很容易超過1F，和一般的電容容量相比其范圍擴(kuò)大了3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，單體超級(jí)電容目前的容量最大可達(dá)到60000F。

②充放電壽命長(zhǎng)：其充放電次數(shù)可達(dá)到50萬次左右，超級(jí)電容器充放電是一種可以反復(fù)充、放電，且可循環(huán)的物理過程。

③可提供很大的放電電流。

④較強(qiáng)的充放電能力：可快速充電，也可大電流放電。超級(jí)電容可以在大電流下，數(shù)十秒或者數(shù)分鐘內(nèi)快速完成充電。

⑤工作溫度范圍寬：超級(jí)電容正常工作溫度范圍為-40~+70℃，相反，若蓄電池在低溫或者高溫環(huán)境下將很難正常工作。

⑥產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。

⑦充放電回路簡(jiǎn)單：在標(biāo)稱電壓下，其可以充電到任何電位，并且可以全部放電。無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)。

⑧安全可靠性高：失效時(shí)相當(dāng)于開路，而且過電壓不會(huì)被擊穿。

超級(jí)電容的應(yīng)用

超級(jí)電容器是集實(shí)用、環(huán)保、高效為一體的儲(chǔ)能器件。近幾年來，它在新能源領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)比較快，有廣泛應(yīng)用。超級(jí)電容器具有工作中無污染、性能穩(wěn)定、有很快響應(yīng)時(shí)間、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用在小型分布式發(fā)電廠中有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器將成為新能源發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能首選裝置，已被多個(gè)發(fā)達(dá)國家列為重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。

超級(jí)電容主要在以下幾個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用：

1)電力系統(tǒng)

超級(jí)電容（SC）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中在分布式發(fā)電和配電網(wǎng)系統(tǒng)中。分布式發(fā)電系統(tǒng)，主要是風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，這些新能源發(fā)電存在的缺陷是輸出功率不穩(wěn)定，倘若這些分布式發(fā)電并入電網(wǎng)時(shí)必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成損害。SC具有功率密度高，儲(chǔ)能效率高的特點(diǎn)，所以可作為分布式發(fā)電的儲(chǔ)能裝置，可為電網(wǎng)提供瞬時(shí)補(bǔ)償功率。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，超級(jí)電容器充當(dāng)電網(wǎng)后備電源的角色，保證電網(wǎng)供電的連續(xù)性與穩(wěn)定性。一般來說，電容器的使用不僅可以對(duì)電網(wǎng)瞬時(shí)功率實(shí)現(xiàn)緩沖，還可以對(duì)有功功率或無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，來平滑和穩(wěn)定電網(wǎng)中電壓的波動(dòng)，解決由電力系統(tǒng)故障所引起的電壓的驟升驟降、瞬時(shí)停電等問題。

2)特種領(lǐng)域

在特種領(lǐng)域中，超級(jí)電容器也越來越受到重視，特別是在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備領(lǐng)域。眾所周知，在特種領(lǐng)域設(shè)備中，許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是不能夠直接從電網(wǎng)獲得電力的，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)給提供電力，這就對(duì)能量存儲(chǔ)部件有非?？量痰囊?，需要高可靠性，輕便和良好的隱蔽性。因超級(jí)電容器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使其在特種設(shè)備領(lǐng)域得到了快速而廣泛發(fā)展。比如，并聯(lián)使用超級(jí)電容器和鉛酸蓄電池，這種方法可以大大改善車輛，如裝甲車、特種卡車和越野車等特種車的低溫啟動(dòng)性能，也可以有效提高車輛的可靠性、增強(qiáng)動(dòng)力。

3)電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車

電動(dòng)汽車在啟動(dòng)和加速時(shí)需要的電流很大，沖擊電流過大會(huì)損壞蓄電池或燃料電池，縮減其使用壽命。而電動(dòng)汽車執(zhí)行制動(dòng)的過程需要能量比較少，導(dǎo)致蓄電池儲(chǔ)能利用率非常低。基于電動(dòng)車的特點(diǎn)，可使用超級(jí)電容器和蓄電池或燃料電池結(jié)合方式，來減少對(duì)電池的損害，延長(zhǎng)其使用壽命，而且還可提高制動(dòng)能量的回收利用率，保證了電動(dòng)車實(shí)用性、可靠性，節(jié)省了燃油。

4)城市軌道交通

列車作為城市軌道交通中的公共交通工具，需要頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)，在這段時(shí)間內(nèi)通常會(huì)產(chǎn)生過大的沖擊電流和制動(dòng)能量的浪費(fèi)。超級(jí)電容器可以很好地平衡大電流沖擊和能量回收的問題，在車輛制動(dòng)時(shí)回收并儲(chǔ)存制動(dòng)能量，當(dāng)車輛需要加速時(shí)，然后釋放制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)存的能量，有效提高能源的有效利用率。

5)日常生活領(lǐng)域

超級(jí)電容器在民用領(lǐng)域中，作為儲(chǔ)能器件也得到廣泛應(yīng)用。在日常生活領(lǐng)域，如手機(jī)、相機(jī)、路燈、電動(dòng)玩具等都具有超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，并達(dá)到了良好的儲(chǔ)能效果。

超級(jí)電容的發(fā)展

超級(jí)電容（SC）自2000年概念產(chǎn)生以來，研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)企業(yè)投入大量的人力、物力、精力進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，產(chǎn)出了大量的專利技術(shù)，下面針對(duì)超級(jí)電容技術(shù)的布局環(huán)境進(jìn)行分析，主要分析指標(biāo)包括全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)，全球重點(diǎn)申請(qǐng)人分析及技術(shù)分類分析。

2000-2005年，超級(jí)電容器處于技術(shù)萌芽期，2000年出現(xiàn)第一項(xiàng)超級(jí)電容器專利后，逐年慢慢增多，申請(qǐng)趨勢(shì)呈現(xiàn)出一種浮動(dòng)的狀態(tài)，專利年增量并不多。

2006至今年，超級(jí)電容器的全球?qū)＠暾?qǐng)呈逐年迅速增長(zhǎng)，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁這標(biāo)志著超級(jí)電容器進(jìn)入技術(shù)快速發(fā)展的活躍期，后續(xù)將會(huì)出現(xiàn)更多的專利申請(qǐng)。

在超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化方面，美國、日本、俄羅斯、瑞士、韓國、法國的一些公司憑借多年的研究開發(fā)和技術(shù)積累，目前處于領(lǐng)先地位。如日本的松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社、本田株式會(huì)社、ELNA、NEC，美國的MaxwellTechnologies等。俄羅斯的Esma公司是生產(chǎn)無機(jī)混合型超級(jí)電容器的代表，然而Esma公司目前還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)能力。此外，俄羅斯的Elit公司、法國的Saft公司、美國的Cooper公司、日本的Nec公司和松下公司也投入巨大資金對(duì)大容量超級(jí)電容器進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)的研究。

國內(nèi)從事大容量超級(jí)電容器研發(fā)的廠家共有50多家，然而，能夠批量生產(chǎn)并達(dá)到實(shí)用化水平的廠家只有10多家。國內(nèi)超級(jí)電容器的重要企業(yè)有上海奧威科技公司、錦州富辰公司、北京集星公司、哈爾濱巨容新能源公司、北京合眾匯能公司等十多家。同時(shí)，國內(nèi)的江西、江蘇、河南、陜西和天津等省市也紛紛出臺(tái)相關(guān)政策，支持本省市企業(yè)積極進(jìn)軍超級(jí)電容器這種新興的儲(chǔ)能元件市場(chǎng)。