潘 璐

（上海交通大学，上海200051）

0 引言

从目前来看，制约电动汽车发展的主要因素是续驶里程短，因此通常采用再生资源制动技术进行储能工具的开发，将动能转变为电能，以有效延长电动汽车的行驶距离。在现代高科技的发展过程中，由于大量出现大型装配系统，使得电源系统既要具备高能量，又要具有较高的比能量，超级电容器就是在这个背景之下产生的。

1 原理

超级电容器是一种具有法拉级超大电容量的新型储能器件，其介于传统的电容器和蓄电池之间，功率密度是普通电池的10倍以上，可以在短时间内实现大规模的充电和放电。超级电容器利用电极和电解质之间的双层界面来进行能量的存储，当电极和电解液接触时，由于分子力和库仑力的作用，固液界面出现电荷符号相反的双层结构，这就是用来存储能量的双层电荷。

2 分类

按照材料和性质的不同，可以将超级电容器分为不同的种类。按照超级电容器的电极材料可将其分为以下3种：导电聚合物电容器、贵金属氧化物电容器和碳电极电容器。按照超级电容器的工作机理，可将其分为法拉第准电容器和双电层电容器。按照结构和电极工作反应，可将其分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。对称型超级电容器由2个相同的电极组成，并且电极的反应相同、方向相反；如果2个电极的组成不同或是反应不同，那么就称为非对称型电容器。按照超级电容器电解液的不同，又可以将其分为固体物电解质电容器、有机系超级电容器和水溶液系超级电容器，选用有机系超级电容器可以获得高电压，从而获得较高的比能量，选择水溶液系超级电容器可以获得高电源能量和比能量。

在现有的超级电容器中，碳电极电容器研究时间较长，早在1962年标准石油公司就研究生产出了6 V工作电压的碳材料电容器。近些年，该类电容器中的碳材料也开始进行多种类的研发，主要包括活性碳纤维、碳纳米管等。贵金属氧化物电容器主要采用贵金属氧化物作为电极材料，比如RuO2等，由于其导电性比碳材料好，因而可以获得更高的比能量，制造出来的电容器也具有更高的稳定性，但是贵金属资源价格昂贵并且有限，这就在一定程度上限制了贵金属氧化物电容器的发展和应用。导电聚合物电容器具有更高的性能，通过优化设计聚合物的结构，可以进一步提升电容器的性能。

3 特点

超级电容器容量高，通常情况下是同体积电解电容器的2 000倍以上，其功率密度高，可以进行瞬间的大电流放电，功率是普通电池的10倍以上；超级电容器充电时间短、速度快，普通的化学电池充满要5 h左右，而超级电容器只需几分钟即可；超级电容器寿命长，在给超级电容器充电时一般不会对电极材料产生影响，材料的使用寿命也不会受到循环充电的影响；超级电容器适用温度范围很宽，一般在－34～70℃之间，对于极限温度和恶劣温度的抵抗能力远远大于传统的蓄电池，因此超级电容器也常常应用在军事、航空领域和温度环境恶劣地区，以满足特殊的储能需要。超级电容器是一种绿色环保能源，所使用的材料都是环保和安全无毒的，不会对使用者和环境产生影响。

目前，超级电容器的能量密度还不算高，而新的电极活性材料又极难开发，因此，超级电容器需要大量串联使用，这就带来了充电电压一致性的难题。因此，在进行超级电容器的组装时，要将电压性能最接近的一组组装到一起，以解决超级电容器的均压问题。贵金属氧化物超级电容器的材料贵重且稀少，会导致成本增加，因而难以进行大规模的生产。

4 应用

超级电容器在电动汽车上的应用主要体现在3个方面：

4.1 汽车启动时

现在的电动汽车大多采用电机启动方式，在启动的瞬间，电机的转速为0，会产生强大的启动电流，对电动汽车的蓄电池造成很大的损害。而超级电容器在电动汽车启动时，可以向发动机提供强大的电流支持以带动其运转，不仅可以提升电机启动速度，还能改善电动汽车的性能和蓄电池的应用状态。

4.2 汽车制动时

电动汽车制动过程中的制动消耗占总驱动消耗的50%左右，若能有效地回收制动能源，会使电动汽车的行驶距离延长。超级电容器的脉冲放电性能和大容量的存储性能都决定了其可以进行制动过程中的能量回收及再利用。

4.3 作为电动汽车的辅助电源

将超级电容器作为电动汽车的辅助电源，可以有效延长电池的使用寿命。在电动汽车中加入超级电容器，车内用于电制动和电转向系统的布线得以减少，可使电动汽车的稳定性得到提高。另外，超级电容器的使用还能提升电动汽车转向、座椅加热等电系统的性能。

5 研究近况及发展趋势

由于超级电容器具有使用寿命长、功率密度高、适用温度范围宽和充放电快等优点，世界多国政府和企业都已开始进行相关的研发工作，美国、瑞典、日本等国已经将超级电容器应用到了商业中。但是由于超级电容器也应用在了军事领域，具有一定的敏感性，因此国外相关研究机构并不对外输出其制造的关键技术。我国已经将超级电容器的研究纳入电动汽车开发的重大课题中，并且通过反复试验和创新，在超级电容器的制作材料、工艺等方面都获得了一定的进展，同时也掌握了制造的核心技术，这就为我国自主研发超级电容器奠定了坚实的基础。超级电容器在车辆领域的应用表现出了传统动力电池难以达到的高效性能，从而引起了人们对这一新型储能装置的广泛重视。对未来超级电容器的发展，我们可以这样预测，将超级电容器和蓄电池相结合，不仅可以减少大电流对电池的损害，还能主动将制动能源进行回收再利用，提升能量的利用率。

6 结语

在开发储能工具时，首先要了解电动汽车的主要性能，再结合其应用特点来进行。随着电动汽车的不断发展，新型储能工具也会不断涌现，但是任何储能工具都要符合电动汽车的性能要求，节约资源，对有限的资源进行最大化的利用。要从制造成本、产品性能等多方面来考虑储能工具的开发和利用，让电动汽车得到更好的发展。目前，超级电容器以其优越的性能已经在电动汽车行业开始了较为广泛的应用，研究部门应该着力于提升其能量密度和功率密度，同时提高其价格在市场上的竞争力，进而促进超级电容器在电动汽车领域中更好地发挥作用。

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