双电层电容器

Maxwell Technologies “MC”和“BC” (3000法拉第电容)

双电层电容器有时也被称为电气二重层电容器，或超级电容器，是一种拥有高能量密度的电化学电容器，比一般的电解电容容量高上千倍。 双电层电容器（EDLC），也被称为超级电容器，supercondenser，电化学双电层电容器，或超级电容器，是一种电化学电容器具有较高的能量密度。其能量密度通常是数百倍，比传统的电解电容器。[1]。

可能有一个典型的D-细胞大小的电解电容电容高达几十millifarads。同样大小的EDLC的可能达到几法拉，两个数量级的改善。截至2011年双电层电容器的最高工作电压几伏（标准电解电容可以工作在几百伏），上升到5000法拉的能力。[2]的存储每单位质量的能量被称为具体的能源，这是通常以瓦时每公斤（宽⋅H /公斤）或每公斤兆焦耳（MJ/公斤）。在2010年的最高可用双电层电容器的比能量为30 W⋅H /公斤（0.1兆焦耳/公斤）。[3]高达85 W⋅H /公斤已在室温下在实验室中实现，[4]这仍然是较低比快速充电锂钛酸电池的。[5]

大量的研究，以提高性能;例如震级能量密度改善的命令是在实验室中实现了在2011年年中[6]的价格正在下降：2000成本50美元，2011年13 KF电容，成本美元5,000。 。

双电层电容器是用于能源储存，而不是通用的电路元件。他们有各种商业应用，特别是在“能源平滑”和瞬间负载设备。他们作为能量储存，并在车辆使用的KERS设备的应用，如家用太阳能系统的小型应用程序，在极其快速充电是一个有价值的功能。

概念 比较三个电容的施工图。左：“正常”的电容器，中间：电解，右：双电层电容器

在传统的电容器，能量储存，从一个金属板的电荷载体，通常电子和存放在另一去除。这个电荷分离，创建了一个两板之间，可以利用外部电路的潜力。以这种方式存储的总能量增加储存量收费和板之间的潜力。每单位电压存储的电荷量本质上是一个功能的大小，距离，与板之间的板（介电常数）材料的材料特性，而板块之间的潜在的击穿场有限介电强度。介电电容器的电压控制。优化材料，导致更高的能量密度为给定大小的电容器。

双电层电容器没有传统的电介质。干预绝缘体隔开，而不是两个独立的板块，这些电容的使用，其实是两个相同的基板层的虚拟板。他们的电化学性能，在所谓的“双电层”，在收费，尽管难以察觉薄（纳米的顺序）的物理隔离层的有效分离的结果。缺乏需要笨重层为介质，所用材料的孔隙率，允许更大的表面积板包装成一个给定的体积，在高电容在实际大小的包。

在双电层，每层本身是相当导电，但没有显着电流可以流层之间的接口的物理层接触，有效意味着。然而，双层可承受低电压，这意味着个人匹配的一系列连接的双电层电容器，双电层电容器的额定电压较高，必须很像在高电压电池串联细胞，。

双电层电容器具有远高于电池的功率密度。功率密度的能源可以提供给负载的速度相结合的能量密度。电池，它是基于电荷载体在液态电解质的运动，有[7]相对缓慢的充放电次数。电容，另一方面，可以充电或放电率，通常是由电流加热电极有限。

因此，虽然现有的双电层电容器的能量密度，也许是1/10的传统电池，其功率密度一般为10至100倍。这使得他们最适合电化学电池和静电电容器，既不是持续的能量释放也立即电力需求主宰彼此之间的中介角色。

比较 超级电容器具有相对的电池的几个缺点和优点： [编辑]缺点

   电化学电池（3-5·W·H /千克为一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量是一般较低，尽管85瓦时/公斤已在实验室中实现[4] 2010年相比， 30-40·W·H /公斤的铅酸电池，100-250·W·H /公斤，锂离子电池，约1/1万分之一体积的汽油的能量密度。
   具有最高的任何类型的电容器的介质吸收。
   高，自放电 - 率大大高于电化学电池高。
   最大的低电压 - 系列连接需要，以获得更高的电压，电压平衡可能需要。
   与实际的电池，在任何电容，包括双电层电容器，电压显着下降，因为它的排放。能源的有效存储和恢复需要复杂的电子控制和开关设备，随之而来的能量损失。一个多电压5.3 W EDLC的医疗设备电源的详细论述了详细的设计原则。它使用在约150秒共55 F的电容，收费，运行约60秒。电路采用开关模式稳压器，线性稳压器的清洁和稳定的电力，减少约70％的效率。开关稳压器，降压，升压，降压 - 升压类型的讨论，并得出结论，大不相同跨EDLC的降压 - 升压电压是最好的，增加第二个最好，降压不宜[12]。
   非常低的内部电阻允许极快速放电时短路，导致类似的任何其他类似的电压和电容（一般比电化学电池）电容火花危险。

[编辑]优点

   寿命长，有点退化了数以十万计的充电周期。由于电容的充放电循环（百万或更多的200至1000大部分市售的充电电池相比）的高数量将持续为大多数设备的整个生命周期，这使得环保设备。充电电池通常穿了几年了，和他们的高活性化学电解质提出了处理和安全隐患。可以只收取了有利的条件下，一个理想的速度，对于一些化学物质，尽可能少地优化电池寿命。双电层电容器与电池结合作为电荷调节，存储从其他来源的能量负载均衡的目的，然后使用充电电池，在适当的时间，任何多余的能量可以帮助。
   每个周期的成本低
   良好的可逆性
   充电和放电率非常高。
   非常低的内部电阻（ESR）和随之而来的高周期效率（95％以上）和极低的加热水平
   高输出功率
   比功率高。根据ITS（交通研究学院，戴维斯，加利福尼亚）的测试结果，双电层电容器的具体功率可超过6千瓦/千克，95％的效率[13]
   提高了安全性，无腐蚀性的电解质和低毒性的材料。
   简单的收费方法，没有充分充电检测是必要的;没有滥收费用的危险。
   配合使用充电电池时，​​在某些应用中EDLC的很短的时间提供能量，减少电池自行车税和延长寿命

物料

在一般情况下，双电层电容器通过了纳米材料的使用，代替传统的绝缘层，通常活性炭提高存储密度。活性炭是一个非常多孔，“海绵”碳形式有一个非常高的比表面积 - 一个共同的近似是1克（铅笔橡皮擦般大小的量），有一个大约250平方米的表面面积大小 - 一个网球场。它通常是极其精细，但很“粗糙”的粒子，其中，散装，形成许多小孔的低密度堆粉末。由于这种材料甚至是一层薄薄的表面积是许多倍，比传统材料，如铝，越来越多的电荷载体（电解质的离子或自由基）可以存储在一个给定的体积。由于碳是不是一个很好的绝缘体（与传统设备所使用的优良绝缘体），一般双电层电容器限于低2-3至五为了潜力，因此必须是“堆叠”（串联），只是作为传统电池必须提供更高的电压。

活性炭是不是“完美”的申请材料。其实运营商的收费（效果）相当大，特别是由分子的包围时，往往大于木炭留下的洞，这是接受他们太小，限制了存储。

截至2010年，几乎所有的商业超级电容器用粉末活性炭由椰子壳制成的。[引证需要]性能更高的设备是可用的，在一个显着的成本增加，合成碳与氢氧化钾（KOH）激活的前体的基础上。

在双电层电容器的研究主要集中在改进的材料，提供更高的可用表面积。

   石墨具有优异的表面面积每单位重量或体积密度，高导电性，现在可以在各个实验室生产的，但不是在批量生产。特定的能量密度为85.6瓦/公斤，在室温和136瓦时/公斤，在80℃（所有总电极重量计算），在电流密度为1 A / G来衡量，已观察到。这些能量密度值是镍氢电池媲美。设备的充分利用，最高的内在表面电容及单层石墨比表面积预备弯曲不重新堆叠面对面的石墨薄片。弯曲的形状，使访问和对环境无害的离子液体能够在电压> 4可湿性孔形成五[14]
   碳纳米管具有优良的nanoporosity属性，使聚合物的微小空间，坐在管中，并作为介质。[15]碳纳米管可以存储大约每单位面积，但碳纳米管（这几乎是纯碳作为木炭相同的电荷）可以安排在一个更经常的模式，公开更多合适的表面积。[16]电容器的碳纳米管除了可以大大改善和提高双电层电容器的性能。由于高表面积和高导电性的单壁碳纳米管，这些碳纳米管除了允许这些电容器优化。[17]多壁碳纳米管在电极孔，方便离子允许存在/电解质界面。碳纳米管薄薄的墙壁，允许在双电层电容器的高电容。[18]通过添加多壁碳纳米管，这些电容器，电极的电阻可以降低。电容与多壁碳纳米管纤维细胞有较高的电子和电解质的离子电导率，比没有这些碳纳米管的细胞。这些纳米管也有所改善电力电容器的能力。[19]

ragone图表显示各种能源存储设备能量密度vs.power密度

   一些聚合物（如polyacenes和导电聚合物）随着高表面积氧化还原（氧化还原）的存储机制。

   碳气凝胶提供了极高的表面积约400-1000平方米/克的重量密度。气凝胶超级电容器的电极通常由碳纤维制成，并涂上有机气凝胶，然后经过裂解无纺纸的一种复合材料。碳纤维结构的完整性和气凝胶提供所需的表面积大。小气凝胶超级电容器被用作微电子备份的电力储存。气凝胶电容只能工作在几伏的高电压电离的碳和损坏电容。碳气凝胶电容已经达到325焦耳/克（90·W·H /公斤）的能量密度和功率密度20 W / G [20]

   固体活性炭，也称为综合的无定形碳（CAC）。它可以有一个表面面积超过2800平方米/克，可能更便宜比气凝胶碳生产。[21]

   可调多孔碳具有系统的孔径控制。 H2的吸附处理，可用于增加能量密度高达75％以上是2005年商业[22] [23]

   矿物基碳1 nonactivated碳，合成金属或非金属碳化物，如碳化硅，议会，Al4C3。[24]合成纳米多孔碳，通常被称为碳化物衍生碳（CDC），有一个2000平方米/克，共约400平方米/克的表面面积比电容高达100架F /毫升（有机电解液）。截至2006年使用这种材料在超级电容器具有体积135毫升和200克的重量有1.6 KF电容。能量密度超过47千焦耳/ L，在2.85 V和功率超过20 W / G [25]密度

   2007年8月研究人员结合与定向碳纳米管的可生物降解的纸电池，锂离子电池和超级电容器（称为bacitor）旨在充当。该设备采用本质上是一种液体盐，离子液体作为电解液。可以卷起的纸张，扭曲，折叠，切或不完整或效率损失，或堆积，像普通的纸（或伏打电堆），来提高总产量。他们可以在各种尺寸，从邮票到大报。其重量轻，成本低，使他们有吸引力的便携式电子设备，飞机，汽车，玩具（如模型飞机），而他们的能力，使用血液中的电解质，使他们潜在的有用的医疗器械，如心脏起搏器。[26]

   其他球队正在尝试与活化聚吡咯定制材料，碳纳米管浸渍文件。

属性 双电层电容器的性能正在改善，新的研究进展。 [编辑]电容

双电层电容器的电容高达数千法拉2011年。 [编辑]电压

截至2011年，额定功率高达约5最大工作电压双电层电容器至五。 [编辑]具体的能源

现有商业双电层电容器范围的具体能源约0.5至30瓦·小时/公斤[27] [28]，包括锂离子电容器，也被称为“混合电容器”。实验的双电层电容器已经证明特定能量的功率为30 W·H/公斤，并已被证明是可扩展到至少136·W·H /公斤。[29] [30]比较，传统的铅酸蓄电池商店一般为30至40瓦·小时/千克和现代的锂离子电池约160瓦·小时/千克。汽油有大约12,000·W·H /公斤净热值（NCV）;汽车应用操作油箱到车轮的效率在20％左右，提供2,400 W·H/公斤的具体有效的能源。电力驱动的汽车运行在一个更高的效率。例如，泰斯拉跑车的运行效率88％，平均电池轮。这意味着，超级电容器在汽车应用的具体有效的能源可能接近25·W·H /公斤，2级比汽油少订单。 [编辑]功率密度

双电层电容器的能量密度，充电电池，也许十分之一，但功率密度一般为10至100倍。 [编辑]自放电

一个是充电和存储的EDLC的速度远远超过一个典型的电解电容失去了它的收费（自放电），有点比充电电池更快。 [编辑]价格

研究和发展带来的价格以及物理性质，化学性质，迅速改善。

成本迅速下降，与每千焦耳的成本下降速度超过每法拉的成本。由2006年的超级电容器的成本是1％，每法拉和2.85美元每千焦耳和下降[31]3 KF电容，是十年前的5000美元是在2011年的$ 50。[32]\

应用 [编辑]车辆 [编辑]重型及公共交通 另见：卡帕汽车

一些最早的用途是在大量坦克和潜艇发动机电机启动电容器，成本下降，他们已经开始出现柴油卡车和铁路机车上。[33] [34]在2000年，他们在电动吸引注意汽车产业，使它们特别适合再生制动应用的能力远远高于电池充电更​​快。新技术的发展可能使双电层电容器用足够高的能量密度是吸引力更换电池电动车和插电式混合动力车，双电层电容器快速充电，并随温度的稳定。

中国正在试验的电动客车的新形式（capabus）不使用大船上的双电层电容器，迅速充电，每当公共汽车在任何巴士站（下所谓的电动雨伞），并在总站完全充电的电力线运行。几个原型于2005年初在上海被测试。两个商业巴士路线在2006年，开始使用双电层电容公交车。其中之一是在上海的航线11 [35]

VAG公司在2001年和2002年，在纽伦堡的公共交通运营商，德国测试与双电层电容器的混合动力公交车使用柴油电动电池驱动系统。[36]，德国自2003年在曼海姆曼海姆Stadtbahn经营的光铁路车辆（轻轨），采用双电层电容器储存制动能量。[37] [38]

其他公共交通工具制造商正在开发EDLC的技术，包括移动存储[39]和一个固定的赛道电源。[40] [41]

三重混合动力叉车使用燃料电池和蓄电池作为主要能源的储存和双电层电容器，补充能量存储解决方案。[42] [编辑]汽车

超级电容器中使用的一些概念原型车，为了保持电阻加热范围内的电池和延长电池寿命。[43] [44] ultrabattery结合一个超级电容器和电池，在一个单位创造一个电动车电池，持续时间较长，成本更低，比目前的插件混合动力电动汽车（PHEV汽车）。[45] [46]更强大 [编辑]赛车

国际汽联，公式1版本1.3的规例于2007年5月23日电火车框架中提出的许多赛车活动，理事机构发出一套新的动力总成法规，包括混合动力高达200千瓦的输入[47]使用“superbatteries”电池和超级电容器的输出功率。

TS030丰田混合LMP1的汽车使用通过使用超级电容器储能的混合动力系统提供。[48] [编辑]补充电池

不间断电源和类似用途的充电电池一起使用时，可以处理的EDLC的短暂中断，要求要使用的电池只有在长时间中断，降低单车税和延长其寿命[49] [编辑]低功耗应用

双电层电容器，可用于低功耗设备，如PC卡，摄影闪光灯，手电筒，便携式媒体播放器和自动抄表设备操作。[50]他们有利时，需要极其快速充电。专业医疗应用中，双电层电容器已被用于功率手持式的，基于激光的乳腺癌检测器（55 F号，提供多种电压5.3 W;在150秒收费，运行时间为60秒）。[12]

[51在90秒内的收费，保留85％的费用后3个月，并持有足够的电荷，大约一半的螺丝（22）类似的螺丝刀无绳电动螺丝刀使用EDLC的能量储存在2007年制作的。与充电电池处理（37）。两个LED手电筒使用双电层电容器在2009年被释放。他们在90秒内收取。[52] [编辑]替代能源

结合新型能源的电容更换电池的想法变成了绿色电力（凝胶）倡议的概念伞。[53]一个成功的凝胶倡议“的概念是一个肌肉驱动的自主解决方案，采用多法拉EDLC的能源[54]存储到各种便携式电器及电子设备，如MP3播放器，AM / FM收音机，手电筒，手机，应急包电源。 [编辑]市场

根据创新研究和产品（IRAP），超级电容器市场的增长将继续在2009年到2014年。世界范围内的业务，2009年的2.75亿美元以上，将继续在AAGR 21.4％增长到2014年。[55]

外部链接

• 双电层电容器及其应用--《国外电子元器件》2001年06期