[科普中国]-电化学电容器

电化学电容器是指一类基于高比表面积碳材料、金属氧化物和导电聚合物等电极材料的新型储能元件。电化学电容器的显著特点是可以得到很大的电容量以及优异的瞬时充放电性能。1

发展电化学电容器用来贮存电能是1957年美国通用电气公司Becker提出的。1879年Helmhoz提出双电层概念，1968年美国标准石油公司（SOHIO）率先研制成功碳基双电层电化学电容器，1978年日本Matshita公司开发成功商用松下金电器，197~1981年加拿大的B.E.Conway与美国Contimental Grob Inc合作开发混合氧化物电化学电容器。20世纪80年代，电化学电容器开始走向市场。

1899年，B.E.Conway出版了第一本关于电化学电容器的专著《电化学电容器——科学原理及技术应用》。

如今，美国、日本、俄罗斯在超大容量电容器的产业化方面处于领先地位，1996年，俄罗斯研制的电化学电容器为电源的电容公交车，充电一次可行驶12 km，时速25 km/h。

我国从20世纪80年代开始研究双电层电容器，自1996年以来，陆续发表了国内外研究进展的报道。从1998年开始，我国上海奥威科技开发有限公司进行电化学电容器的开发研究，2006年该公司开发的电化学电容器电车已在上海市试运行。2

近年来，随着对电化学电容器认识的加深，国家和企业对电化学电容器研究的投入日益增大，越来越多的科研院所和高校投入到了电化学电容器研究的行列，研究水平也有了长足的进步，但从整体水平来看，我国在电化学电容器研究领域仍明显落后于世界先进水平。3

特点电化学电容器作为一种新型储能器件，具有以下特点：

(1)高能量密度。电化学电容器比传统电容器的能量密度大10～100倍，达到1～10 W·h/kg。

(2)高功率密度。电化学电容器的功率密度可以达到2 kW/kg左右，为电池的10倍以上，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流，非常适合用于短时间高功率输出的场合。

(3)使用寿命长。电化学电容器充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，其理论循环寿命为无穷，实际可以达到10万次以上，比电池高10～100倍。

(4)使用温度范围宽。电化学电容器可以在-40～+70℃的温度范围内使用，而一般电池为-20～+60℃。电化学电容器充放电过程发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所有容量随温度衰减非常小。而电池在低温下容量衰减幅度却高达70%。

(5)充电速度快。电化学电容器可以采用大电流充电，能在几十秒内完成充电过程。而蓄电池则需要数小时完成充电，即使采用快速充电也需要几十分钟。

(6)放置时间长。由于自放电，电化学电容器的电压会随放置时间逐渐降低，但能重新充电到原来的状态，几年不用仍可以保持原来的性能指标。

(7)免维护，环保。3

结构电化学电容器主要由电极、电解质和隔膜组成。其中，电极包括电极活性材料和集电极两部分。

集电极的作用是降低电极的内阻，要求它与电极接触面积大，接触电阻小，而且耐腐蚀性强，在电解质中性能稳定，不发生化学反应。集电极材料的选择主要根据所采用的电解质。通常，酸性电解质可以使用钛材料，碱性电解质可以使用镍材料，而有机电解质等可以使用廉价的铝材料。

隔膜的作用是在防止两个电极物理接触的同时允许离子通过。隔膜的电阻与其厚度成正比，与孔隙率成反比。为了降低电容器的ESR，对隔膜的要求是：①超薄；②高孔隙率；③高强度。通常使用的材料有玻璃纤维和聚丙烯膜等。

电化学电容器主要有两种结构形式。一种是三明治叠层结构的纽扣式电容器；另一种是将电极片和隔膜卷绕起来形成的卷绕式电容器。两种电容器各有优缺点，具体来说，卷绕式电容器电极易于制备，且可以容纳大面积电极，但是封装密度低，且多个电容器单元串联时占用空间较大，难以在较小的体积内获得较高工作电位。纽扣式电容器的封装密度高，而且其形状和结构便于多个电容器的串联以满足对高电压的需要，但难以容纳大面积电极，而且封装外壳需要承受较大压力。3

应用电化学电容器以其大容量、高能量密度、大电流充放电和长循环寿命等特点，在国防、航天航空、汽车工业、消费电子、通信、电力和铁路等领域得到成功的应用，并且其应用范围还在不断拓展。根据电容量、放电时间和放电量的大小，电化学电容器主要可以用作辅助电源、备用电源、主电源和替换电源。

1．辅助电源

电化学电容器自问世以来，在军事方面的应用就受到极大关注。由电化学电容器和电池组成的“致密型超高功率脉冲电源”能为微波武器与激光武器提供兆瓦级的特大运行功率。此外，由电池和电化学电容器组成的复合电源系统可以保证军用载重卡车和装甲车辆在恶劣条件下的启动，还可用于军队和武警部队的武器、通信设备和防护系统的数字化装备，大大降低每个士兵的负担。

2．备用电源

如今电化学电容器的主要市场是用作消费电子产品的备用电源，在这类应用中，电化学电容器的价格比二次电池低，循环使用寿命也比二次电池长得多，并且具有充电快、环境适应性强以及报废时无环境污染等特点。这方面的应用主要包括视频录像机、电视卫星接收器、汽车视频系统、出租车计程器和计价器、计算控制器、家庭烤箱、光学或电子照相机、可编程计算器、电子台历和移动电话等。

3．主电源

在这类应用中，电化学电容器能提供几毫秒到几秒的大电流脉冲，随后又被其他电源小功率充电。例如电动玩具，采用电化学电容器作为电源，可以在一两分钟内完成充电，重新投入使用，而且电化学电容器具有极长的循环寿命，比采用电池更合算。其他家用电器，如数字钟、照相机、录音机、便携式摄像机等均可采用电化学电容器来取代电池作为电源，甚至手机、便携式电脑等的电池也可用电化学电容器来取代，市场前景十分广阔。

4．替换电源

电化学电容器具有使用寿命长、循环效率高、使用温度范围宽、自放电率低和免维护等优点，故很适合与太阳能电池、发光二极管结合，用于太阳能手表、太阳能灯、路标灯、公交站时刻表灯、交通警示灯等。3

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所