超級電容器1剖析

1、超級電容器未來的儲能之星中國的教育改革日益加深，對當代大學生的教育越來越強調創(chuàng)新與實踐。人才培養(yǎng)模式逐漸向研究型，創(chuàng)新型，實踐型等多元模式轉變。為實現(xiàn)偉大中國夢培養(yǎng)高水平卓越人才。我校積極探索教育改革，響應社會需求，國家要求。為培養(yǎng)我校大學生創(chuàng)新與實踐的科研能力，將能來更好的服務社會，大學物理教學增加科技創(chuàng)新這一環(huán)節(jié)，并將其納如成績考核之中。我們這一屆有幸運的有這個機會去參與其中，于是我們幾個同學便在一起開啟了科研之旅。 我們都是電氣專業(yè)的，對電的未來發(fā)展和使用有一定的了解。電能的使用將來的發(fā)展一定是高智能化，最終一定會達到不用鋪設電線的情況。用戶只需擁有一個高儲能的器件，在發(fā)電廠充好電，就可

2、帶回家里使用很長一段時間。這就類似于我們現(xiàn)在使用的手機移動電源，只不過他儲存的能量遠遠大于現(xiàn)在的移動電源。要達到這樣的水平，首先要解決儲能問題.電容器是我們所熟悉的儲能元件，所以我們在設想能否從超級電容器上找到突破點呢？首先我們來了解一下目前的超級電容器：首先我們來了解一下目前的超級電容器：超級電容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫雙電層電容器 (Electrical Double-Layer Capacitor)、電化學電容器 (Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉超級電容器（supercapacitor,ultr

3、acapacitor），黃金電容、法拉電容，通過極化電解質來儲能。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。工作原理工作原

4、理: :超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放

5、電 ，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應減少。由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學反應的蓄電池是不同的。目前主要應用領域目前主要應用領域：1、稅控機、稅控加油機、真空開關、智能表、遠程抄表系統(tǒng)、儀器儀表、數(shù)碼相機、掌上電腦、電子門鎖、程控交換機、無繩電話等的時鐘芯片、靜態(tài)隨機存貯器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等微小電流供電的后備電源。2、智能表（智能電表、智能水表、智能煤氣表、智能熱量表）作電磁閥的啟動電源3、太陽能警示燈，航標燈等太陽能產品中代替充電電池。4、手搖發(fā)電手電筒等小型充電產品中代替充電電池。 5、電動玩具電動機、語

6、音IC、LED發(fā)光器等小功率電器的驅動電源。6.電動汽車 快速啟動7.電力系統(tǒng) 電網(wǎng)改造 戶外開關。 8.風力發(fā)電 海上風機 要想達到脫線供電的水平，必須要解決儲能問題，首要解決的問題就是采用什么方式能夠儲存更多的能量和如何能讓用戶接受。增大儲能是技術方面的問題，用戶是否接受主要受價格和使用效率及安全性能。那么現(xiàn)在我們就來尋找合適的儲能方式。飛輪儲能飛輪儲能：飛輪儲能是由鋼（或鑄鐵）制成的，儲能有限。另外分完成電能機械能的轉換，還需要一套復雜的電力電子裝置，因而不僅工業(yè)上很少使用，對于推廣到家庭用戶更是存在很大的難度。電池儲能：電池儲能：電池儲能是現(xiàn)在應用比較廣泛的一種方式，也比較成熟。但其是

7、利用的是化學變化原理，當遇到大容量儲能，要發(fā)生很長時間的變化，增加了時間成本，而且化學變化受外部影響較大，不利于推廣。超導儲能：超導儲能：是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負載。與其他儲能方式相比具有高轉換效率、響應速度快、功率密度大、壽命長、污染小等優(yōu)點。但其有個致命的缺點是成本高，這也決定了他在未來大容量儲能很難推廣。 超級電容器超級電容器：從上面的介紹中我們可以知道，超級電容器利用的是物理變化儲能，具有充電時間短，對于目前的容量僅需要幾秒；充電電路簡單，無記憶效應；有超強的荷電保持能力；充放電循環(huán)壽命在十萬次以上，安全系數(shù)高；無污染，真正免于維護；相比較成

8、本低等優(yōu)點。目前的超級電容器儲能大都是用于工業(yè)方面，不能向家庭用戶推廣主要是其儲存的能量與家庭用電需求有較大的差距以及其輸出電壓會隨時間變化。我們小組經(jīng)過查閱資料反復討論提出了以下想法:尋找替代尋找替代材料材料: :目前的超級電容器電解液多采用固體和液體。主要有金屬氧化物、多孔碳材料、石墨烯基材料。這些材料目前發(fā)展情況還是相當好的，已經(jīng)能夠制造出能提供300V及其以上的電壓和最大電流可以達到100A超級電容器。雖然這已是比較大的容量了，但與我們所說的脫線供電的要求還是有很大距離。我們小組覺得，將來如果想在容量上有較大突破就必須從復合材料和納米材料這兩個方面考慮一級二級三級N級. 在目前替代材料尚未發(fā)現(xiàn)之前，我們能否采用超級電容器的多級串并聯(lián)來增 大其儲能容量。這里講的多級串并聯(lián)并不是平時所說的簡單電路的串并聯(lián)，他是 經(jīng)過精確復雜的計算所確定的多級串并聯(lián)從而形成一個網(wǎng)絡結構，并且給據(jù)其串并聯(lián)的程度不同設置一個相關參數(shù)K,這樣就可以根據(jù)用戶的使用要求，K取不同值就對應某一水平的串并聯(lián)的網(wǎng)絡，從而達到滿足不同用戶的需求。即使該網(wǎng)絡具有比較靈活的適應性，這也是決定是否能大范圍推廣的很重要的因素之一。 針對其放電時電壓變化針對其放電時電壓變化：這問題我們認為可以在超級