一文了解超级电容器

来源：本文综合自超凡知识产权，作者张琼，谢谢。

超级电容的概念

超级电容器可称为大容量电容器、储能电容器、（黄）金电容器、双电层电容器或法拉电容器，其英文名称为EDLC，即Electric Double Layer Capacitors，俗称Ultra Capacitors、GOLD Capacitors、Super Capacitors，以法拉为单位，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种功率型电子元器件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。相比蓄电池而言，超级电容器作为新型储能装置具有适应环境能力强、温度特性好、使用寿命长、可快速充电等诸多优点。

图1超级电容

目前，超级电容器在汽车、铁路、通讯、电力、国防、消费电子等应用领域具有很大的应用价值与市场潜力，受到世界上很多国家的广泛关注。作为一种无源器件，超级电容的特性介于普通电容器和电池之间，不仅具有大电流快速充放电的特性，还具有电池存储能量特点，可重复使用，而且寿命长。超级电容（SC）释放电流是因为导体间的移动电子，而非单纯的化学反应。随着可持续发展观念的进一步普及，人们对生态环境和绿色能源重视度提高，作为一种新型的储能元件，超级电容由于不可替代的优越性，受到人们越来越多的重视，工程师已经开始在需要高功率，高效率方案设计中使用超级电容器来代替蓄电池。

超级电容的结构与工作原理

（1）超级电容的结构

图2为超级电容器内部结构框图，超级电容器结构中，多孔电极一般使用活性炭粉、活性炭、活性炭纤维等。电解质使用有机电解质，如碳酸亚丙酯或四氯化钛。多孔活性炭具有较大的表面积，在电解质中吸附电荷，这可以储存大量静电电荷。相比蓄电池而言，尽管超级电容能量密度较小，但此种存储能量的方法可以替代传统电池在储能方面的不足，也可以应用在需要短时高峰值电流的场合。

图2超级电容器结构图

（2）超级电容工作原理

超级电容是利用双电层原理的电容器，当给超级电容器的两个极板外接电压时，正电极和负电极分别存储不同极性电荷，这与普通电容原理相同。超级电容器电荷运动在双极板上产生电场，由于电场力作用，在电极与电解质之间的界面处形成了相反的电场，以此来平衡电解质的内部电场。正电荷与负电荷处于两个不同极性之间的短间隙接触面上，其中电荷分布层称为双电层，电容量非常大。当电解质的氧化还原电极电势高于两极板之间的电势时，电解质不会与电解质界面上的电荷分离，超级电容器为正常工作状态。如果电解质的氧化还原电极电势低于电容两端的电压，电解质将与界面的电荷分解，这样将是异常状态。若正极板和负极板上储存的电荷通过外部电路放电，超级电容器电解质界面处的电荷量逐渐减小。由此可知：超级电容器的充放电是物理过程，无复杂的化学反应，所以相比化学反应的蓄电池，其性能更稳定。

（3）超级电容的特点

① 体积小、容量大：相比同体积的电解电容而言，超级电容的电容量大许多倍。超级电容器的可极化电极使用活性炭粉和活性炭纤维，增加了电极与电解液接触的面积，由于两极板的表面积与电容量成正比，这就使电容的容量增大。通常超级电容器的容量很容易超过1F，和一般的电容容量相比其范围扩大了3~4个数量级，单体超级电容目前的容量最大可达到60000F。

② 充放电寿命长：其充放电次数可达到50万次左右，超级电容器充放电是一种可以反复充、放电，且可循环的物理过程。

③ 可提供很大的放电电流。

④ 较强的充放电能力：可快速充电，也可大电流放电。超级电容可以在大电流下，数十秒或者数分钟内快速完成充电。

⑤ 工作温度范围宽：超级电容正常工作温度范围为-40~+70℃，相反，若蓄电池在低温或者高温环境下将很难正常工作。

⑥ 产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。

⑦ 充放电回路简单：在标称电压下，其可以充电到任何电位，并且可以全部放电。无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护。

⑧ 安全可靠性高：失效时相当于开路，而且过电压不会被击穿。

超级电容的应用

超级电容器是集实用、环保、高效为一体的储能器件。近几年来，它在新能源领域的发展相对比较快，有广泛应用。超级电容器具有工作中无污染、性能稳定、有很快响应时间、维护成本低等特点，这些优势使其应用在小型分布式发电厂中有很强的优势。超级电容器将成为新能源发电系统储能首选装置，已被多个发达国家列为重点研发项目。

超级电容主要在以下几个领域得到应用：

图3超级电容的应用领域

1) 电力系统

超级电容（SC）在电力系统中的应用主要集中在分布式发电和配电网系统中。分布式发电系统，主要是风力发电和光伏发电，这些新能源发电存在的缺陷是输出功率不稳定，倘若这些分布式发电并入电网时必然会对电网造成冲击，对电网的安全稳定运行造成损害。SC具有功率密度高，储能效率高的特点，所以可作为分布式发电的储能装置，可为电网提供瞬时补偿功率。当电网故障时，超级电容器充当电网后备电源的角色，保证电网供电的连续性与稳定性。一般来说，电容器的使用不仅可以对电网瞬时功率实现缓冲，还可以对有功功率或无功功率进行补偿，来平滑和稳定电网中电压的波动，解决由电力系统故障所引起的电压的骤升骤降、瞬时停电等问题。

2) 军事领域

在军事领域中，超级电容器也越来越受到重视，特别是在现场设备领域。众所周知，在军事领域设备中，许多现场设备是不能够直接从电网获得电力的，需要储能系统给提供电力，这就对能量存储部件有非常苛刻的要求，需要高可靠性，轻便和良好的隐蔽性。因超级电容器具有独特的优势使其在军用设备领域得到了快速而广泛发展。比如，并联使用超级电容器和铅酸蓄电池，这种方法可以大大改善车辆，如装甲车、军用卡车和越野车等特种车的低温启动性能，也可以有效提高车辆的可靠性、增强动力。

3) 电动汽车及混合动力汽车

电动汽车在启动和加速时需要的电流很大，冲击电流过大会损坏蓄电池或燃料电池，缩减其使用寿命。而电动汽车执行制动的过程需要能量比较少，导致蓄电池储能利用率非常低。基于电动车的特点，可使用超级电容器和蓄电池或燃料电池结合方式，来减少对电池的损害，延长其使用寿命，而且还可提高制动能量的回收利用率，保证了电动车实用性、可靠性，节省了燃油。

4) 城市轨道交通

列车作为城市轨道交通中的公共交通工具，需要频繁的启动、制动，在这段时间内通常会产生过大的冲击电流和制动能量的浪费。超级电容器可以很好地平衡大电流冲击和能量回收的问题，在车辆制动时回收并储存制动能量，当车辆需要加速时，然后释放制动时储存的能量，有效提高能源的有效利用率。

5) 日常生活领域

超级电容器在民用领域中，作为储能器件也得到广泛应用。在日常生活领域，如手机、相机、路灯、电动玩具等都具有超级电容器储能技术的应用，并达到了良好的储能效果。

超级电容的发展

超级电容（SC）自2000年概念产生以来，研究机构和工业企业投入大量的人力、物力、精力进行技术开发，产出了大量的专利技术，下面针对超级电容技术的布局环境进行分析，主要分析指标包括全球专利申请趋势，全球重点申请人分析及技术分类分析。

图4 全球超级电容相关专利历年申请趋势

从图中可以看出：

2000-2005年，超级电容器处于技术萌芽期，2000年出现第一项超级电容器专利后，逐年慢慢增多，申请趋势呈现出一种浮动的状态，专利年增量并不多。

2006至今年，超级电容器的全球专利申请呈逐年迅速增长，发展势头强劲这标志着超级电容器进入技术快速发展的活跃期，后续将会出现更多的专利申请。

图5 超级电容器的重点申请人

在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位。如日本的松下电器产业株式会社、本田株式会社、ELNA、NEC，美国的Maxwell Technologies等。俄罗斯的Esma公司是生产无机混合型超级电容器的代表，然而Esma公司目前还没有形成规模生产能力。此外，俄罗斯的Elit公司、法国的Saft公司、美国的Cooper公司、日本的Nec公司和松下公司也投入巨大资金对大容量超级电容器进行规模化生产的研究。

国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，然而，能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。国内超级电容器的重要企业有上海奥威科技公司、锦州富辰公司、北京集星公司、哈尔滨巨容新能源公司、北京合众汇能公司等十多家。同时，国内的江西、江苏、河南、陕西和天津等省市也纷纷出台相关政策，支持本省市企业积极进军超级电容器这种新兴的储能元件市场。

超级电容器相关的专利申请中，主要的IPC（限制到大组）技术分类如表1所示。

表1

序号

IPC分类号(小类)

技术

专利数量

1

H01G

电容器；电解型的电容器、整流器、检波器、开关器件、光敏器件或热敏器件

13554

2

H02J

供电或配电的电路装置或系统；电能存储系统

1848

3

H01M

用于直接转变化学能为电能的方法或装置，例如电池组

1598

4

C01B

非金属元素；其化合物

1362

5

B82Y

纳米结构的特定用途或应用；纳米结构的测量或分析；纳米结构的制造或处理

477

6

G01R

测量电变量；测量磁变量

357

7

B60L

电动车辆动力装置

349

8

H01B

电缆；导体；绝缘体；导电、绝缘或介电材料的选择

261

9

H01L

半导体器件；其他类目中不包括的电固体器件

233

10

H02M

用于交流和交流之间、交流和直流之间、或直流和直流之间的转换以及用于与电源或类似的供电系统一起使用的设备；直流或交流输入功率至浪涌输出功率的转换；以及它们的控制或调节

216

提高能量密度是超级电容最重要的研究方向

超级电容器的致命缺点就是能量密度远低于电池，从而导致与电池同等能量密度的超级电容器有着很大的体积和重量，成为限制其在储能领域大规模应用的瓶颈，因此提高超级电容器的能量密度就显得尤为重要。

上海奥威科技开发有限公司提供一种钛酸锂基的混合型超级电容器，正极采用双电层材料；负极采用Li4Ti5O12和Li7Ti5O12的混合物，其比例为3:7～7:3之间；电解液采用LiPF6/CH3CN体系，该混合超级电容器具有更高的电容区间并大幅度提高了超级电容器的能量密度。

中国科学院金属研究所（CN106298252B）在常规的叠片生产工艺的基础上，通过使用了电化学预处理过程使得组装成的超级电容器可以在最优的电位窗口下工作，实现了器件的工作电压和比容量的提升，从而极大提高了电容器器件的能量密度。

图6 CN106298252B附图

韩国纳米技术仪器公司（KR1020180108725A）提供一种制备电解质浸渍的层状石墨烯结构的方法，该结构用作超级电容器或电极。该方法包括: (a)准备具有多个孤立的石墨烯的石墨烯分散片分散在电解质；和(b)将石墨烯分散到强制装配工序，迫使多组装成电解液浸渍的层状石墨烯的片层石墨烯结构体其中，所述多个石墨烯片交错间隔的薄电解质层，小于5nm以下的膜厚，和石墨烯片沿所需方向基本上对齐，并且其中层状结构具有从物理密度为从0.5至1.7g/cm3，比表面积50至3300/g，在干燥状态下测量时排出的电解液的片状结构。该方法使超级电容器具有大的电极的厚度均匀，高活性物质装载，振实密度高，以及超常的能量密度。

总结

超级电容发展的直接趋势是提高其性能，降低其成本，扩大其应用领域。从降低成本提高性能的角度分析，需要研究低成本的原料与高性能材料的结合，改进生产工艺；而功率转换器和超级电容器的结合，可以扩大其应用领域。相信，随着科学技术不断的发展，超级电容生产成本还会继续下降，能量密度及功率密度会进一步提高；先进电力电子技术取得进步，这都将推动超级电容器在新型能存储应用中的快速发展。因此，在今后的能量存储模式发展上，超级电容器储能将成为一个重要的研究领域。

参考文献：

[1] Keh-Chyun Tsay,Lei Zhang,Jiujun Zhang et al.Effects of electrode layer composition thickness and electrolyte concentration on both specific capacitance and energy density of supercapacitor[J].Electrochimica Acta,2012,60:428-436.

[2] 彭情, 韦穗林, 潘元忠,等. 电力电子技术在电力系统及智能电网发展中的地位与作用[J]. 轻工科技, 2015(3):100-101.

[3] Li, Y.,Vannorsdel, K. R.,Zirger, A. J. et al.Current Mode Control for Boost Converters With Constant Power Loads[J].IEEE transactions on circuits and systems Regularpaper,2012,59(1):198-206.

[4] 仝真. 基于超级电容的直流UPS不间断电源研究[J]. 科技资讯, 2012(13):133-134.

[5]王洪礼, 何志琴, 李德菊. 超级电容器与蓄电池性能的比较分析[J]. 现代机械, 2013(3):63-65.

[6]Yin J, Bian Y, Shen J, et al. The experimental research on super capacitor charge and discharge based on hoisting mechanism energy storage system[J]. Machine Design & Manufacturing Engineering, 2016.

[7]Chan, M. P.,Mok, P. K. T..Design and Implementation of Fully Integrated Digitally Controlled Current-Mode Buck Converter[J].IEEE transactions on circuits and systems. I, Regular papers, 2011,58(8):1980-1991.

[8]Chen G Z. Supercapacitor and supercapattery as emerging electrochemical energy stores[J]. International Materials Reviews, 2017(4).

作者介绍

张琼

超凡知识产权数据与咨询事业部检索分析师

微电子学与固体电子学专业，工学硕士，主要从事查新检索、竞争对手监控、技术主题分析、竞争对手分析等工作，涉及包括电路，集成电路工艺， LED芯片，半导体器件，传感器等的相关专利检索及专利分析。

北京超凡知识产权管理咨询有限公司

半导体芯片部

服务内容：致力于半导体领域的专利检索、竞争对手分析、技术主题检索分析、挖掘布局、防侵权检索、无效检索、技术转移转化等

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。