超級(jí)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(chǔ)能，屬于雙電層電容的一種。由于其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這種儲(chǔ)能過程是可逆的，正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。

電容器是儲(chǔ)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(yùn)用。由于新時(shí)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(yùn)行的需要。為了達(dá)到高負(fù)荷或超負(fù)荷電路運(yùn)行的需要，國內(nèi)開始推廣使用超級(jí)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(jí)電容器的主要功能

與普通電容器相比，超級(jí)電容器在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)調(diào)整，且在原理上得到了優(yōu)化。但在使用期間超級(jí)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(chǔ)能等方面，這些對(duì)于電路運(yùn)行或存儲(chǔ)電荷都有著明顯的調(diào)控作用。具體功能如下：

(1)旁路。超級(jí)電容器中的旁路電容可以定期儲(chǔ)存電能，但其它元器件在運(yùn)行中需要能量時(shí)，則能及時(shí)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(qiáng)，如圖1。

圖1 旁路電容原理

(2)去耦。去耦主要是針對(duì)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(jí)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(xiàng)指標(biāo)參數(shù)維持在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

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

超級(jí)電容器把存儲(chǔ)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(jìn)一步強(qiáng)化電容的存儲(chǔ)性能。

2、超級(jí)電容器的不同分類

由于超級(jí)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(jìn)行了不同的更新調(diào)整。根據(jù)不同的內(nèi)容，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行分類的方法是各不相同的。當(dāng)前，對(duì)于超級(jí)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(jí)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(jí)電容器主要?jiǎng)澐殖呻p電層型超級(jí)電容器、贗電容型超級(jí)電容器等兩大類。雙電層型超級(jí)電容器，在制造材料上進(jìn)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?xì)饽z電極材料，結(jié)合前驅(qū)材料制備凝膠，再進(jìn)行碳化活化處理作為電極。贗電容型超級(jí)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(fù)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(dǎo)電性能的化合物。超級(jí)電容器里的電解質(zhì)包括：水性電解質(zhì)、有機(jī)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(qiáng)堿構(gòu)成等。有機(jī)電解質(zhì)一般選擇LiClO4為主的鋰鹽、teABF4為主的季胺鹽等當(dāng)成電解質(zhì)，有時(shí)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(duì)于超級(jí)電容器的性能都有明顯的改善。

根據(jù)電解質(zhì)對(duì)超級(jí)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(xì)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(jí)電容器、液體電解質(zhì)超級(jí)電容器。

3、超級(jí)電容器使用的優(yōu)缺點(diǎn)

超級(jí)電容器在使用過程中并非每一個(gè)方面都是優(yōu)越的，這就要求在運(yùn)用超級(jí)電容器時(shí)能熟練掌握該裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。受到制造技術(shù)的限制，我國在使用超級(jí)電容器時(shí)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(jí)電容器造成電路故障，影響了整個(gè)設(shè)備性能的發(fā)揮。作為電容器的新產(chǎn)品，超級(jí)電容器呈現(xiàn)出來的優(yōu)點(diǎn)要顯著大于缺點(diǎn)。

(1)優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器是普通電容裝置的升級(jí)，在對(duì)早期的電容器實(shí)施了多個(gè)方面的改良。主要優(yōu)點(diǎn)在：①電容量。早期使用的常規(guī)電容器，電容存儲(chǔ)量較小，僅能滿足小負(fù)荷的電路需求;而超級(jí)電容器的電容量級(jí)別可達(dá)到法拉級(jí)，能適合更復(fù)雜的電路運(yùn)行需要。②電路。超級(jí)電容器對(duì)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(shí)間不會(huì)受到過充、過放的影響。③焊接。普通電容器無法進(jìn)行焊接，在安裝超級(jí)電容器時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)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(diǎn)。通過對(duì)超級(jí)電容器的性能測(cè)試，筆者發(fā)現(xiàn)這種新型電容器也存在缺點(diǎn)。如：①泄漏。超級(jí)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(jí)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(jí)電容器的內(nèi)阻更大，不適合交流電路的運(yùn)行要求。③價(jià)格。由于超級(jí)電容器是新一代高科技產(chǎn)品，其剛剛推向市場(chǎng)時(shí)價(jià)格相對(duì)較高，增加了設(shè)備運(yùn)行的成本投入。

4、超級(jí)電容器的原理

“雙電層原理”是超級(jí)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(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓作用于普通電容器的兩個(gè)極板時(shí)，裝置存儲(chǔ)電荷的原理是一樣的，即正電極與正電荷對(duì)應(yīng)、負(fù)電極與負(fù)電荷對(duì)應(yīng)。而超級(jí)電容器除了這些功能外，若其受到電場(chǎng)作用則會(huì)在電解液、電極之間產(chǎn)生相反的電荷，此時(shí)正電荷、負(fù)電荷分別處于不同的接觸面，這種條件下的負(fù)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(jìn)，超級(jí)電容器的電容儲(chǔ)存量極大。此外，如果超級(jí)電容器兩極板間電勢(shì)小于電解液的標(biāo)準(zhǔn)電位時(shí)，超級(jí)電容器則是正常的工作狀態(tài)，相反則不正常。根據(jù)超級(jí)電容器原理，其在運(yùn)用過程中并沒有出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，僅僅是在物理性質(zhì)上的變化，因而超級(jí)電容器的穩(wěn)定性更加可靠。

圖2超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)原理

5、超級(jí)電容器的應(yīng)用

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

此外，超級(jí)電容器還在包括稅控機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦等微小電流供電的后備電源等消費(fèi)性電子產(chǎn)品及眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)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(jí)電容器在運(yùn)輸業(yè)的應(yīng)用

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

超級(jí)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(shí)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(huì)上零排放的超級(jí)電容器公交車

超級(jí)電容器還應(yīng)用在混合電動(dòng)車上?；旌想妱?dòng)汽車采用多能源系統(tǒng)提供動(dòng)力，以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿?，以二次電源作為輔助動(dòng)力?；旌想妱?dòng)汽車最大的優(yōu)點(diǎn)就是在加速期間或爬坡時(shí)，要從有電池和超級(jí)電容器組成的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)吸取電力，當(dāng)車輛的動(dòng)力需求較低時(shí)，該能量?jī)?chǔ)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(dòng)，在減速時(shí)能量重新回收，加速時(shí)付出，既節(jié)省了油又減少了污染。混合電動(dòng)汽車能節(jié)油30%-50%,減少污染70%-90%。

將蓄電池與超級(jí)電容結(jié)合起來，他們的優(yōu)點(diǎn)可以互補(bǔ)，成為一個(gè)極佳的貯能系統(tǒng)。此還可用于卡車低溫起動(dòng)、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(huì)有很長(zhǎng)的壽命。

超級(jí)電容器混合電動(dòng)汽車

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

圖為超級(jí)電容器應(yīng)用于車輛低溫啟動(dòng)

在城市軌道交通工程中，車輛的制動(dòng)方式為電制動(dòng)(再生制動(dòng))加空氣制動(dòng)，在運(yùn)行中以電制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔。運(yùn)行中的列車由于站與站之間的距離較短，列車啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀。超級(jí)電容器在應(yīng)用于軌道車輛中時(shí)，在軌道車輛制動(dòng)的時(shí)候，回收制動(dòng)能量，存儲(chǔ)于超級(jí)電容其中;而當(dāng)車輛再加速時(shí)，超級(jí)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(jí)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(jí)電容器也能夠得到很廣泛的應(yīng)用。比如飛機(jī)在開啟艙門時(shí)，需要特別強(qiáng)的爆發(fā)動(dòng)力，而超級(jí)電容器會(huì)完成這個(gè)功能，它在為飛機(jī)開啟門提供爆發(fā)動(dòng)力，使用壽命可達(dá)25年，140000飛行小時(shí)，已經(jīng)通過空中客車公司資質(zhì)證明，于2004年測(cè)試，設(shè)計(jì)產(chǎn)品是BCAP0140。在地面上，正常操作和緊急操作時(shí)，門必須被打開，在飛行時(shí)，門必須被關(guān)上并鎖緊，滑道必須在緊急情況被需要的時(shí)候膨脹。

圖為超級(jí)電容器在飛機(jī)操作過程中作為爆發(fā)動(dòng)力應(yīng)用

現(xiàn)在混合動(dòng)力叉車及電動(dòng)叉車大都采用由超級(jí)電容器作為驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳送和接收峰值功率，進(jìn)行能量回收，節(jié)省燃料，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)工作時(shí)間。

超級(jí)電容的輪胎式集裝箱起重機(jī)，利用大容量超級(jí)電容器，可以短周期大電流充電和放電，在起動(dòng)時(shí)能迅速大電流放電，下降時(shí)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(jí)電容的輪胎式集裝箱起重機(jī)

2.超級(jí)電容器在風(fēng)能領(lǐng)域的應(yīng)用

超級(jí)電容器的突出特點(diǎn)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(zhǎng)循環(huán)壽命、長(zhǎng)工作壽命、免維護(hù)、環(huán)保等。因此它極為適合在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組環(huán)境中工作。風(fēng)力發(fā)電變槳利用超級(jí)電容器儲(chǔ)能電源的基本工作原理是：平時(shí)，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能輸入充電機(jī)，充電機(jī)為超級(jí)電容器儲(chǔ)能電源充電，直至超級(jí)電容器儲(chǔ)能電源達(dá)到額定電壓。當(dāng)需要為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，驅(qū)動(dòng)變槳系統(tǒng)工作。

圖為超級(jí)電容器極適合在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組環(huán)境中工作

3.儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用

現(xiàn)有超級(jí)電容器產(chǎn)品，它不僅已經(jīng)用作光電功能電子表和計(jì)算機(jī)貯存器等小型裝置電源，而且還可以用于固定電站。在邊遠(yuǎn)缺電地區(qū)，超級(jí)電功容器可以和風(fēng)力發(fā)電裝置或太陽能電池組成混合電源，使無風(fēng)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(jí)電容器，那么衛(wèi)星的脈沖通訊能力一定會(huì)得到改善。此外，由于它具有快速充電的特性，那么相對(duì)于電動(dòng)玩具這種需要快速充電的設(shè)備來說，無疑是一個(gè)理想電源。