電化學電容器是指一類基於高比表面積碳材料、金屬氧化物和導電聚合物等電極材料的新型儲能元件。電化學電容器的顯著特點是可以得到很大的電容量以及優異的瞬時充放電性能。
基本介紹
- 中文名：電化學電容器
- 外文名：Electro Chemical Capacitor
- 簡稱：EC
- 特點：高能量密度等
- 套用：輔助電源等
- 學科：電力學
發展,特點,結構,套用,
發展
電化學電容器用來貯存電能是1957年美國通用電氣公司Becker提出的。1879年Helmhoz提出雙電層概念，1968年美國標準石油公司（SOHIO）率先研製成功碳基雙電層電化學電容器，1978年日本Matshita公司開發成功商用松下金電器，197~1981年加拿大的B.E.Conway與美國Contimental Grob Inc合作開發混合氧化物電化學電容器。20世紀80年代，電化學電容器開始走向市場。
1899年，B.E.Conway出版了第一本關於電化學電容器的專著《電化學電容器——科學原理及技術套用》。
如今，美國、日本、俄羅斯在超大容量電容器的產業化方面處於領先地位，1996年，俄羅斯研製的電化學電容器為電源的電容公車，充電一次可行駛12 km，時速25 km/h。
我國從20世紀80年代開始研究雙電層電容器，自1996年以來，陸續發表了國內外研究進展的報導。從1998年開始，我國上海奧威科技開發有限公司進行電化學電容器的開發研究，2006年該公司開發的電化學電容器電車已在上海市試運行。
近年來，隨著對電化學電容器認識的加深，國家和企業對電化學電容器研究的投入日益增大，越來越多的科研院所和高校投入到了電化學電容器研究的行列，研究水平也有了長足的進步，但從整體水平來看，我國在電化學電容器研究領域仍明顯落後於世界先進水平。
特點
電化學電容器作為一種新型儲能器件，具有以下特點：
(1)高能量密度。電化學電容器比傳統電容器的能量密度大10～100倍，達到1～10 W·h/kg。
(2)高功率密度。電化學電容器的功率密度可以達到2 kW/kg左右，為電池的10倍以上，可以在短時間內放出幾百到幾千安培的電流，非常適合用於短時間高功率輸出的場合。
(3)使用壽命長。電化學電容器充放電過程中發生的電化學反應具有良好的可逆性，其理論循環壽命為無窮，實際可以達到10萬次以上，比電池高10～100倍。
(4)使用溫度範圍寬。電化學電容器可以在-40～+70℃的溫度範圍內使用，而一般電池為-20～+60℃。電化學電容器充放電過程發生的電荷轉移大部分都在電極活性物質表面進行，所有容量隨溫度衰減非常小。而電池在低溫下容量衰減幅度卻高達70%。
(5)充電速度快。電化學電容器可以採用大電流充電，能在幾十秒內完成充電過程。而蓄電池則需要數小時完成充電，即使採用快速充電也需要幾十分鐘。
(6)放置時間長。由於自放電，電化學電容器的電壓會隨放置時間逐漸降低，但能重新充電到原來的狀態，幾年不用仍可以保持原來的性能指標。
(7)免維護，環保。
結構
電化學電容器主要由電極、電解質和隔膜組成。其中，電極包括電極活性材料和集電極兩部分。
集電極的作用是降低電極的內阻，要求它與電極接觸面積大，接觸電阻小，而且耐腐蝕性強，在電解質中性能穩定，不發生化學反應。集電極材料的選擇主要根據所採用的電解質。通常，酸性電解質可以使用鈦材料，鹼性電解質可以使用鎳材料，而有機電解質等可以使用廉價的鋁材料。
隔膜的作用是在防止兩個電極物理接觸的同時允許離子通過。隔膜的電阻與其厚度成正比，與孔隙率成反比。為了降低電容器的ESR，對隔膜的要求是：①超薄；②高孔隙率；③高強度。通常使用的材料有玻璃纖維和聚丙烯膜等。
電化學電容器主要有兩種結構形式。一種是三明治疊層結構的紐扣式電容器；另一種是將電極片和隔膜卷繞起來形成的卷繞式電容器。兩種電容器各有優缺點，具體來說，卷繞式電容器電極易於製備，且可以容納大面積電極，但是封裝密度低，且多個電容器單元串聯時占用空間較大，難以在較小的體積內獲得較高工作電位。紐扣式電容器的封裝密度高，而且其形狀和結構便於多個電容器的串聯以滿足對高電壓的需要，但難以容納大面積電極，而且封裝外殼需要承受較大壓力。
套用
電化學電容器以其大容量、高能量密度、大電流充放電和長循環壽命等特點，在國防、航天航空、汽車工業、消費電子、通信、電力和鐵路等領域得到成功的套用，並且其套用範圍還在不斷拓展。根據電容量、放電時間和放電量的大小，電化學電容器主要可以用作輔助電源、備用電源、主電源和替換電源。
1．輔助電源
電化學電容器自問世以來，在軍事方面的套用就受到極大關注。由電化學電容器和電池組成的“緻密型超高功率脈衝電源”能為微波武器與雷射武器提供兆瓦級的特大運行功率。此外，由電池和電化學電容器組成的複合電源系統可以保證軍用載重卡車和裝甲車輛在惡劣條件下的啟動，還可用於軍隊和武警部隊的武器、通信設備和防護系統的數位化裝備，大大降低每個士兵的負擔。
2．備用電源
如今電化學電容器的主要市場是用作消費電子產品的備用電源，在這類套用中，電化學電容器的價格比二次電池低，循環使用壽命也比二次電池長得多，並且具有充電快、環境適應性強以及報廢時無環境污染等特點。這方面的套用主要包括視頻錄像機、電視衛星接收器、汽車視頻系統、計程車計程器和計價器、計算控制器、家庭烤箱、光學或電子照相機、可程式計算器、電子檯曆和行動電話等。
3．主電源
在這類套用中，電化學電容器能提供幾毫秒到幾秒的大電流脈衝，隨後又被其他電源小功率充電。例如電動玩具，採用電化學電容器作為電源，可以在一兩分鐘內完成充電，重新投入使用，而且電化學電容器具有極長的循環壽命，比採用電池更合算。其他家用電器，如數字鐘、照相機、錄音機、攜帶型攝像機等均可採用電化學電容器來取代電池作為電源，甚至手機、攜帶型電腦等的電池也可用電化學電容器來取代，市場前景十分廣闊。
4．替換電源
