簡介
超級電容器(Supercapacitors)，又名電化學電容器(Electrochemical Capacitors)，是上世紀七、八十年代發展起來的一種新型的儲能裝置，是介于傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，其容量可達幾百至上千法拉。與傳統電容器相比，它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度範圍和極長的使用壽命；而與蓄電池相比，它又具有較高的比功率，且對環境無污染。因此可以說，超級電容器是一種高效、實用、環保的能量存儲裝置。
分類及工作原理
基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。
突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度範圍寬，是世界上已投入量産的雙電層電容器中容量最大的一種。
根據儲能機理的不同可以分為以下兩類：
1、雙電層電容
是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而産生的。
對一個電極/溶液體系，會在電子導電的電極和離子導電的電解質溶液界面上形成雙電層；當在兩個電極上施加電場後，溶液中的陰、陽離子分别向正、負電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場後，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩定，在正負極間産生相對穩定的電位差。
這時對某一電極而言，會在一定距離内(分散層)産生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當将兩極與外電路連通時，電極上的電荷遷移而在外電路中産生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。
2、法拉第準電容
理論模型是由Conway首先提出，是在電極表面和近表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸脫附和氧化還原反應，産生與電極充電電位有關的電容；對于法拉第準電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液離子與電極活性物質發生的氧化還原反應。
當電解液中的離子（如H+、OH-、K+或Li+）在外加電場的作用下由溶液中擴散到電極/溶液界面時，會通過界面上的氧化還原反應而進入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲在電極中；放電時，這些進入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應的逆反應重新返回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準電容的充放電機理。
特點
1、充電速度快，充電10秒~10分鐘可達到其額定容量的95%以上；
2、循環使用壽命長，深度充放電循環使用次數可達1~50萬次，沒有“記憶效應”；
3、大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環效率≥90%；
4、功率密度高，可達300W/KG~5000W/KG，相當于電池的5~10倍；
5、産品原材料構成、生産、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環保電源；
6、充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數高，長期使用免維護；
7、超低溫特性好，溫度範圍寬-40℃～+70℃；
8、檢測方便，剩餘電量可直接讀出；
9、容量範圍通常0.1F~1000F 。
優點
1、很小的體積下達到法拉級的電容量；
2、無須特别的充電電路和控制放電電路；
3、和電池相比過充、過放都不對其壽命構成負面影響；
4、從環保的角度考慮，它是一種綠色能源；
5、超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題；
缺點
1、如果使用不當會造成電解質洩漏等現象；
2、和鋁電解電容器相比，内阻較大，因而不可以用于交流電路。
單位介紹
法拉（farad），簡稱“法”，符号是F；
1法拉是電容存儲1庫侖電量時，兩極闆間電勢差是1伏特1F=1C/1V；
1庫侖是1A電流在1s内輸運的電量，即1C=1A·S；
1庫侖=1安培·秒；
1法拉=1安培·秒/伏特；
電瓶（蓄電池）12伏14安時的放電量=14*3600*1/12=4200 法拉(F)，（注：12伏14安時電瓶是由2v14安時6塊串聯來的，如果改成6快并聯，就等于2v84安時，轉換為1v就是168安時），地球的電容值僅有1-2F左右。
超級所在
超級電容器之所以稱之為“超級”的原因：
1、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闆，在極闆上加電，正極闆吸引電解質中的負離子，負極闆吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極闆附近，負離子在正極闆附近。
2、超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。
3、傳統電容器的面積是導體的平闆面積，為了獲得較大的容量，導體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結構來增加它的表面積。傳統電容器是用絕緣材料分離它的兩極闆，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。
4、超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結構允許其面積達到2000m2/g，通過一些措施可實現更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質離子尺寸決定的，該距離（<10 Å）和傳統電容器薄膜材料所能實現的距離更小。
5、龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。
放電控制
控制超級電容的放電
超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數τ在1~2s，完全給阻-容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要5~10s（由于電極的特殊結構它們實際上得花上數個小時才能将殘留的電荷完全放幹淨）。
放電的控制時間
超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其内阻限制，甚至短路也不是緻命的。實際上決定于電容器單體大小，對于匹配負載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反複地以劇烈的速率放電将使電容器溫度升高，最終導緻斷路。
使用注意
1、超級電容器具有固定的極性。使用前應确認極性。
2、應在标稱電壓下使用。，當電容器電壓超過标稱電壓時，将會導緻電解液分解，同時電容器會發熱，容量下降，而且内阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導緻電容器性能崩潰。
3、不可應用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導緻電容器内部發熱，容量衰減，内阻增加，在某些情況下會導緻電容器性能崩潰。
4、外部環境溫度對使用壽命有着重要影響，電容器應盡量遠離熱源。
5、被用做後備電源時的電壓降，于超級電容器具有内阻較大的特點，在放電的瞬間存在電壓降ΔV=IR。
6、不可處于相對濕度大于85%或含有有毒氣體的場所，這些環境下會導緻引線及電容器殼體腐蝕，導緻斷路。
7、不能置于高溫、高濕的環境中，應在溫度-30+50℃、相對濕度小于60%的環境下儲存，避免溫度驟升驟降，否則會導緻損壞。
8、用于雙面電路闆上時連接處不可經過電容器可觸及的地方，由于超級電容器的安裝方式，會導緻短路現象。
9、當把電容器焊接在線路闆上，不可将電容器殼體接觸到線路闆上，否則焊接物會滲入至電容器穿線孔内，對電容器性能産生影響。
10、安裝超級電容器後，不可強行傾斜或扭動電容器，否則會導緻電容器引線松動，導緻性能劣化。
11、在焊接過程中避免使電容器過熱，若在焊接中使電容器出現過熱現象，會降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路闆，焊接過程應為260℃，時間不超過5s。
12、在電容器經過焊接後，線路闆及電容器需要經過清洗，因為某些雜質可能會導緻電容器短路。
13、将電容器串聯使用，由于工藝原因，單極超級電容器的額定工作電壓一般在2.8V左右，所以大多情況下必須串聯使用。
由于串聯回路每個單體容量很難保證100%相同，也很難保證每個單體漏電也相同，這樣就會導緻串聯回路的每個單體充電電壓不同，可能會導緻電容器過壓損壞，因此，超級電容器串聯必須附加均壓電路。
當超級電容器進行串聯使用時，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯會導緻某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進行串聯使用時，需得到廠家的技術支持。
超級電容與蓄電池性能比較
蓄電池的不足
電動汽車動力源蓄電池在加速或爬坡時要進行大電流放電；減速或下坡時要快速充電實現制動能量回收，要求蓄電池具有優良的倍率、快速充放電特性和使用壽命長且性能穩定，而對蓄電池實行大電流充放電将使其壽命大大縮短，同時由于電動汽車放置蓄電池的空間有限，布置非常緊湊，熱量易積累，使得蓄電池暴露在高溫環境中造成高溫失效。
盡管針對電動汽車所使用的鉛酸蓄電池做了許多改進，但是其在高溫時性能惡化快、壽命短、充放電效率低已經成為電動汽車發展的難題之一。
超級電容器的優勢
超級電容器也稱電化學電容器，因其存儲能量大，質量輕，可多次充放電而成為一種新型的儲能裝置。
超級電容器有以下優勢：
1、電容量大。
超級電容器采用活性炭粉與活性碳纖維作為可極化電極，與電解液接觸的面積大大增加，根據電容量的計算公式，兩極闆的表面積越大，則電容量越大；因此，一般雙電層電容器的容量很容易超過IF，超級電容的出現使普通電容器的容量範圍驟然躍升了3～4個數量級。
2、充放電壽命很長。
超級電容器充放電壽命可達500000次或90000h，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次；超級電容器可以提供很高的放電電流，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流，一些高放電電流的蓄電池在如此高的放電電流下的使用壽命将大大縮短。
3、快速充放電。
可以從數十秒到數分鐘内快速充電，而蓄電池在如此短的時間内充滿電将是極危險的或是幾乎不可能的。
4、很寬的工作溫度範圍。
蓄電池很難在高低溫，特别是低溫環境下工作；超級電容器用的材料是安全和無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳镉蓄電池均具有毒性。
5. 超級電容器可以任意并聯使用來增加電容量，如采取均壓措施後，還可以串聯使用。
盡管有在能量存儲上的優勢，但超級電容器還是不能和電化學蓄電池相比，即使是鉛酸蓄電池也能比超級電容器多存儲10倍以上的能量。
應用産品
汽車領域
在汽車工業中，智能啟停控制系統（輕型混合動力系統）的應用為超級電容器提供了廣闊的舞台，在插電式混合動力汽車上的表現尤為突出。
由于電動汽車頻繁啟動和停車，使得蓄電池的放電過程變化很大，在正常行駛時，電動汽車從蓄電池中汲取的平均功率相當低，而加速和爬坡時的峰值又相當高。
在現有的電動汽車電池技術條件下，蓄電池必須在比能量和比功率以及比功率和循環壽命之間做出平衡，而難以在一套能源系統上同時追求高比能量、高比功率和長壽命。
為了解決電動汽車續駛裡程與加速爬坡性能之間的矛盾，可以考慮采用兩套能源系統，其中由主能源提高最佳的續駛裡程，而由輔助能源在加速和爬坡時提供短時的輔助動力；輔助能源系統的能量可以直接取自主能源，也可以在電動汽車刹車或下坡時回收可再生的動能，選用超級電容做輔助能。
短期内，超級電容極低的比能量使其不可能被單獨用作電動汽車能源系統，但用做輔助能量源具有顯著優點，在電動汽車上使用的最佳組合為電池——超級電容混合能量系統，對電池的比能量和比功率要求分開。
超級電容具有負載均衡作用，電池的放電電流減少使用電池的可利用能量、使用壽命得到顯著提高；與電池相比，超級電容可以迅速高效地吸收電動汽車制動産生的再生動能；超級電容的早和均衡和能量回收作用使車輛的續駛裡程得到極大的提高；但系統要對電池、超級電容、電動機和功率逆變器等做綜合控制和優化匹配，功率變換器及其控制器的設計應用充分考慮電動機和超級電容之間的匹配。
其他領域
超級電容器三十多年的發展曆程中微型超級電容器已經在小型機械設備上得到廣泛應用，例如電腦内存系統、照相機、音頻設備和間歇性用電的輔助設施。而大尺寸的柱狀超級電容器則多被用于汽車領域和自然能源采集上。就未來十年的發展而言，超級電容器将是運輸行業和自然能源采集的重要組成部分。
1、大尺寸超級電容器（125伏）可用在火車和地鐵的刹車制動系統上，亦可為物料搬運工程車提供能量輸出；中等尺寸超級電容器（75伏）可用在太陽能能量收集方面，因為其具備可在高溫下工作的特性；48V超級電容器應用于汽車；小尺寸超級電容器（2.7伏之内）則對通訊設施的持續供電和電腦内存系統儲存後備電源等有極大貢獻。
2、超級電容器的低阻抗對于當今許多高功率應用是必不可少的。對于快速充放電，超級電容器小的ESR意味着更大的功率輸出，幾秒鐘充電，幾分鐘放電。例如電動工具、電動玩具；
3、在UPS系統中，超級電容器提供瞬時功率輸出，作為發動機或其它不間斷系統的備用電源的補充；
4、當公共汽車從一種動力源切換到另一動力源時的功率支持；
5、小電流，長時間持續放電，例如計算機存儲器後備電源；
6、瞬時功率脈沖應用，重要存儲、記憶系統的短時間功率支持。
在自然能源采集領域裡，風力發電工作流程離不開液壓系統或電池。因為發電機的扇葉每次停下時，内部的渦輪機就會将扇葉調整到指定位置，這個過程在風力發電中被稱為變漿距控制系統，運作過程中所需的電能由液壓系統或電池來提供。
對于電池來說，間歇性工作強度大，再加上常年的負荷，會導緻自身使用壽命大打折扣，為此每隔幾年就會對每一個風力發電機進行一次“高空作業”，電池的維修和更換也是一筆不小的費用。
大功率超級電容器利用其充放電快，循環壽命長的特點，可以代替電池勝任此工作，雖然前期投入成本高，但是相比頻繁維護和更換電池，費用還更低廉一些，同時還可降低工作強度，現在來說超級電容器還沒有作為炙手可熱的輔助設備滲透進這個能量網絡。
