超级电容器工作原理

概述

超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(Electrical

Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC),

黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，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。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活

性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正

离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在

正极板附近。

超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一

种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出

现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插

入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中

的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成

紧密的电荷层，即双电层。

它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，

从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层

间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。

双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接

充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这

一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相

比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具

有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元

器件。

工作原理

超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板

上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超

级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相

反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接

触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双

电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，

电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以

下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为

非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

分类

超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。

按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：

双电层型超级电容器

分类多样

1.活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。

2.碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。

3.碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。

4.碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。

以上电极材料可以制成：

1.平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有

Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达

到300V以上的工作电压。

2.绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容

器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。

赝电容型超级电容器

包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5

等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。

按电解质类型

可以分为水性电解质和有机电解质类型：

水性电解质

1.酸性电解质，多采用36%的H2SO4水溶液作为电解质。

2.碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。

3.中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化

锰电极材料的电解液。

有机电解质

通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近

饱和溶解度。

优点

1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；

2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；

3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；

4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10

倍；

5）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；

6）充放电线路简单，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；

7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；

8）检测方便，剩余电量可直接读出；

9）容量范围通常0.1F--1000F 。

法拉（farad），简称“法”，符号是F 1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V 1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A·S。 1库仑=1安培·秒 1法拉=1安培·秒/伏特