超級電容電池又叫黃金電容、法拉電容，它通過極化電解質(zhì)來儲能，屬于雙電層電容的一種。由于其儲能的過程并不發(fā)生化學反應(yīng)，因此這種儲能過程是可逆的，正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。

電容器是儲存電荷的常用電子器件，在許多電子設(shè)備中得到了廣泛的運用。由于新時期行業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，早期的電路結(jié)構(gòu)逐漸被更復(fù)雜的電路形式取代，普通的電容器已經(jīng)滿足不了電路運行的需要。為了達到高負荷或超負荷電路運行的需要，國內(nèi)開始推廣使用超級電容器，這種器件在性能上比傳統(tǒng)電容器更加優(yōu)越。

1、超級電容器的主要功能

與普通電容器相比，超級電容器在結(jié)構(gòu)上進行了改進調(diào)整，且在原理上得到了優(yōu)化。但在使用期間超級電容器與常規(guī)電容器的功能相近。新型電容裝置的功能集中表現(xiàn)在：旁路、去耦、儲能等方面，這些對于電路運行或存儲電荷都有著明顯的調(diào)控作用。具體功能如下：

(1)旁路。超級電容器中的旁路電容可以定期儲存電能，但其它元器件在運行中需要能量時，則能及時釋放出電荷維持使用。旁路電容器的最大功能表現(xiàn)于穩(wěn)壓器電荷輸出的均衡，避免了電荷傳輸混亂而引起電路故障，裝置充電、放電的靈活性較強，如圖1。

圖1 旁路電容原理

(2)去耦。去耦主要是針對電路內(nèi)產(chǎn)生的“耦合”現(xiàn)象而言，耦合是由于電路中電流、電阻失去均衡而引起的一種“噪聲”，不利于電路內(nèi)部載荷的均衡布置。

超級電容器使用之后，能有效地消除耦合現(xiàn)象，讓電路中的各項指標參數(shù)維持在標準狀態(tài)。

（3）儲能。無論是普通的電容器或者超級電容器，儲存電荷或電能都是極為關(guān)鍵的性能。超級電容器的電荷儲存容量更大，能滿足更多電子元件的使用需求。

超級電容器把存儲的能量利用變換器引線傳送至電源的輸出端之后，經(jīng)過優(yōu)化處理能進一步強化電容的存儲性能。

2、超級電容器的不同分類

由于超級電容器是一類新型產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)、材料、性能等方面都進行了不同的更新調(diào)整。根據(jù)不同的內(nèi)容，對超級電容器進行分類的方法是各不相同的。當前，對于超級電容器的分類一般參照電容器的原理、電解質(zhì)等兩大要素劃分，每一類超級電容器又可分成不同的類別。

(1)根據(jù)原理分類。根據(jù)不同的作用原理，超級電容器主要劃分成雙電層型超級電容器、贗電容型超級電容器等兩大類。雙電層型超級電容器，在制造材料上進行了更新處理，如：活性碳電極材料，結(jié)合高比表面積的活性碳材料加工后制成電極;碳氣凝膠電極材料，結(jié)合前驅(qū)材料制備凝膠，再進行碳化活化處理作為電極。贗電容型超級電容器，一般采用了金屬氧化物電極材料、聚合物電極材料。前者有：NiOx、MnO2、V2O5等用于正極材料，活性碳等用于負極材料，后者有：PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極。

(2)根據(jù)電解質(zhì)分類。電解質(zhì)是溶于水溶液之后具備導電性能的化合物。超級電容器里的電解質(zhì)包括：水性電解質(zhì)、有機電解質(zhì)等兩種。水性電解質(zhì)比較普遍的電解質(zhì)有酸性、堿性、中性之分，不同特性電解質(zhì)的組成也不相同。如：酸性電解質(zhì)由36%的H2SO4水溶液構(gòu)成，堿性電解質(zhì)由KOH、NaOH等強堿構(gòu)成等。有機電解質(zhì)一般選擇LiClO4為主的鋰鹽、teABF4為主的季胺鹽等當成電解質(zhì)，有時可根據(jù)使用需要添加相應(yīng)的溶劑，如：PC、ACN、GBL、THL等，這些對于超級電容器的性能都有明顯的改善。

根據(jù)電解質(zhì)對超級電容器分類方法中，還可以結(jié)合電解質(zhì)的具體狀態(tài)詳細分類。如：按照電解質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)形式又可分為固體電解質(zhì)超級電容器、液體電解質(zhì)超級電容器。

3、超級電容器使用的優(yōu)缺點

超級電容器在使用過程中并非每一個方面都是優(yōu)越的，這就要求在運用超級電容器時能熟練掌握該裝置的優(yōu)缺點。受到制造技術(shù)的限制，我國在使用超級電容器時還存在安裝、調(diào)試等方面的不足。不少設(shè)備因盲目使用超級電容器造成電路故障，影響了整個設(shè)備性能的發(fā)揮。作為電容器的新產(chǎn)品，超級電容器呈現(xiàn)出來的優(yōu)點要顯著大于缺點。

(1)優(yōu)點。超級電容器是普通電容裝置的升級，在對早期的電容器實施了多個方面的改良。主要優(yōu)點在：①電容量。早期使用的常規(guī)電容器，電容存儲量較小，僅能滿足小負荷的電路需求;而超級電容器的電容量級別可達到法拉級，能適合更復(fù)雜的電路運行需要。②電路。超級電容器對電路結(jié)構(gòu)的要求較低，不需要設(shè)置特殊的充電電路、控制放電電路，且電容器的使用時間不會受到過充、過放的影響。③焊接。普通電容器無法進行焊接，在安裝超級電容器時可根據(jù)需要進行焊接處理，防止了電池接觸不良等現(xiàn)象的發(fā)生，提高了電容器元件的使用性能。

(2)缺點。通過對超級電容器的性能測試，筆者發(fā)現(xiàn)這種新型電容器也存在缺點。如：①泄漏。超級電容器安裝位置不合理，容易引起電解質(zhì)泄漏等問題，破壞了電容器的結(jié)構(gòu)性能。②電路。超級電容器僅限于直流電路的使用，這是由于與鋁電解電容器相比，超級電容器的內(nèi)阻更大，不適合交流電路的運行要求。③價格。由于超級電容器是新一代高科技產(chǎn)品，其剛剛推向市場時價格相對較高，增加了設(shè)備運行的成本投入。

4、超級電容器的原理

“雙電層原理”是超級電容器的核心，這是由該裝置的雙電層結(jié)構(gòu)決定的。超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當外加電壓作用于普通電容器的兩個極板時，裝置存儲電荷的原理是一樣的，即正電極與正電荷對應(yīng)、負電極與負電荷對應(yīng)。而超級電容器除了這些功能外，若其受到電場作用則會在電解液、電極之間產(chǎn)生相反的電荷，此時正電荷、負電荷分別處于不同的接觸面，這種條件下的負荷分布則屬于“雙電層”，原理如圖2，因電容器結(jié)構(gòu)組合上的改進，超級電容器的電容儲存量極大。此外，如果超級電容器兩極板間電勢小于電解液的標準電位時，超級電容器則是正常的工作狀態(tài)，相反則不正常。根據(jù)超級電容器原理，其在運用過程中并沒有出現(xiàn)化學反應(yīng)，僅僅是在物理性質(zhì)上的變化，因而超級電容器的穩(wěn)定性更加可靠。

圖2超級電容的結(jié)構(gòu)原理

5、超級電容器的應(yīng)用

超級電容器產(chǎn)品由于其具有特殊的優(yōu)點，全球需求量迅速擴大，已成為化學電源領(lǐng)域內(nèi)新的產(chǎn)業(yè)亮點。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。它的應(yīng)用領(lǐng)域涉及運輸業(yè)、風能、儲能和工業(yè)用UPS等各個領(lǐng)域。不僅從根本上改變了電動車在交通運輸中的位置，也將改進風能、太陽能等間歇性能源利用的可能性，在滿足人們對能源需求的同時，減少了對石油的依賴。

此外，超級電容器還在包括稅控機、數(shù)碼相機、掌上電腦等微小電流供電的后備電源等消費性電子產(chǎn)品及眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿?，被世界各國廣泛關(guān)注，行業(yè)前景可期。

1.超級電容器在運輸業(yè)的應(yīng)用

首先是純電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。就在上海世博會期間，某公司研制出一款去掉辮子的超級電容器純電動汽車，此為上海世博會“零排放”公交車。這款公交車每隔2-3公里就會在指定的充電站(兼具公交車站功能)進行充電，充電時間僅需幾分鐘，位于公交車座位下的超級電容器就完成了全部充電任務(wù)。

超級電容器的公交車充電方式靈活多樣，可以從剎車系統(tǒng)中獲取能量，這類公交車時用的電力比無軌電車少40%，能耗僅為燃油車的三分之一。

圖為世博會上零排放的超級電容器公交車

超級電容器還應(yīng)用在混合電動車上?；旌想妱悠嚥捎枚嗄茉聪到y(tǒng)提供動力，以燃油發(fā)動機作為主要動力，以二次電源作為輔助動力?；旌想妱悠囎畲蟮膬?yōu)點就是在加速期間或爬坡時，要從有電池和超級電容器組成的能量儲存系統(tǒng)吸取電力，當車輛的動力需求較低時，該能量儲存系統(tǒng)被充電，這樣不僅增加了能量效率，而且車輛能夠通過再生制動，在減速時能量重新回收，加速時付出，既節(jié)省了油又減少了污染?；旌想妱悠嚹芄?jié)油30%-50%,減少污染70%-90%。

將蓄電池與超級電容結(jié)合起來，他們的優(yōu)點可以互補，成為一個極佳的貯能系統(tǒng)。此還可用于卡車低溫起動、中型和重型卡車、陸上和地下的軍事用車，它在大電流以及高低溫條件下工作，都會有很長的壽命。

超級電容器混合電動汽車

此外，超級電容器與蓄電池并聯(lián)應(yīng)用，可以提高機車的低溫啟動性能。就是對于提高汽車在冷天的啟動性能(更高的啟動轉(zhuǎn)矩)，超級電容器具有非常重要的意義。通常在-20℃時，機動車由于蓄電池的性能大大下降，很可能不能正常啟動或需要多次啟動才能成功，而超級電容器可以在-40℃與蓄電池并聯(lián)時，僅需一次點火，其耐低溫性能優(yōu)點非常明顯。

圖為超級電容器應(yīng)用于車輛低溫啟動

在城市軌道交通工程中，車輛的制動方式為電制動(再生制動)加空氣制動，在運行中以電制動為主，空氣制動為輔。運行中的列車由于站與站之間的距離較短，列車啟動、制動頻繁，制動能量相當可觀。超級電容器在應(yīng)用于軌道車輛中時，在軌道車輛制動的時候，回收制動能量，存儲于超級電容其中;而當車輛再加速時，超級電容器將這些能量釋放出來，于是節(jié)省了30%的能量。

圖為超級電容器應(yīng)用于軌道車輛能量回收

在航空航天領(lǐng)域中，超級電容器也能夠得到很廣泛的應(yīng)用。比如飛機在開啟艙門時，需要特別強的爆發(fā)動力，而超級電容器會完成這個功能，它在為飛機開啟門提供爆發(fā)動力，使用壽命可達25年，140000飛行小時，已經(jīng)通過空中客車公司資質(zhì)證明，于2004年測試，設(shè)計產(chǎn)品是BCAP0140。在地面上，正常操作和緊急操作時，門必須被打開，在飛行時，門必須被關(guān)上并鎖緊，滑道必須在緊急情況被需要的時候膨脹。

圖為超級電容器在飛機操作過程中作為爆發(fā)動力應(yīng)用

現(xiàn)在混合動力叉車及電動叉車大都采用由超級電容器作為驅(qū)動傳動機構(gòu)，傳送和接收峰值功率，進行能量回收，節(jié)省燃料，實現(xiàn)更長工作時間。

超級電容的輪胎式集裝箱起重機，利用大容量超級電容器，可以短周期大電流充電和放電，在起動時能迅速大電流放電，下降時能迅速大電流充電，將能量吸收，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

圖為超級電容的輪胎式集裝箱起重機

2.超級電容器在風能領(lǐng)域的應(yīng)用

超級電容器的突出特點是：高效率、大電流放電、寬電壓范圍、寬溫度范圍、狀態(tài)易監(jiān)控、長循環(huán)壽命、長工作壽命、免維護、環(huán)保等。因此它極為適合在風力發(fā)電機組環(huán)境中工作。風力發(fā)電變槳利用超級電容器儲能電源的基本工作原理是：平時，由風機產(chǎn)生的電能輸入充電機，充電機為超級電容器儲能電源充電，直至超級電容器儲能電源達到額定電壓。當需要為風力發(fā)電機組變槳時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，超級電容器儲能系統(tǒng)放電，驅(qū)動變槳系統(tǒng)工作。

圖為超級電容器極適合在風力發(fā)電機組環(huán)境中工作

3.儲能領(lǐng)域應(yīng)用

現(xiàn)有超級電容器產(chǎn)品，它不僅已經(jīng)用作光電功能電子表和計算機貯存器等小型裝置電源，而且還可以用于固定電站。在邊遠缺電地區(qū)，超級電功容器可以和風力發(fā)電裝置或太陽能電池組成混合電源，使無風或夜間也可以提供足夠的電源。

衛(wèi)星上使用的電源多是由太陽能電池與鎘鎳電池組成的混合電源，一旦裝上了超級電容器，那么衛(wèi)星的脈沖通訊能力一定會得到改善。此外，由于它具有快速充電的特性，那么相對于電動玩具這種需要快速充電的設(shè)備來說，無疑是一個理想電源。