第一節(jié) 電容器簡述
一、電容器的劃分
電容器通常簡稱其為電容，用字母C表示。定義1：電容器，顧名思義，是‘裝電的容器’，是一種容納電荷的器件。英文名稱：capacitor。電容是電子設備中大量使用的電子元件之一，廣泛應用于電路中的隔直通交，耦合，旁路，濾波，調(diào)諧回路， 能量轉換，控制等方面。定義2：電容器，任何兩個彼此絕緣且相隔很近的導體（包括導線）間都構成一個電容器。
1．按照結構分三大類：固定電容器、可變電容器和微調(diào)電容器。
2．按電解質(zhì)分類：有機介質(zhì)電容器、無機介質(zhì)電容器、電解電容器和空氣介質(zhì)電容器等。
3、按用途分有：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器。
4．按制造材料的不同可以分為：瓷介電容、滌綸電容、電解電容、鉭電容，還有先進的聚丙烯電容等等。
5．高頻旁路：陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、滌綸電容器、玻璃釉電容器。
6．低頻旁路：紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器。
7、濾波：鋁電解電容器、紙介電容器、復合紙介電容器、液體鉭電容器。
8．調(diào)諧：陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、聚苯乙烯電容器。
9．低耦合：紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器、固體鉭電容器。
10．小型電容：金屬化紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、聚苯乙烯電容器、固體鉭電容器、玻璃釉電容器、金屬化滌綸電容器、聚丙烯電容器、云母電容器。
二、電容器的主要特性參數(shù)
電容器主要特性參數(shù)
1.標稱電容量和允許偏差
標稱電容量是標志在電容器上的電容量。
電容器實際電容量與標稱電容量的偏差稱誤差，在允許的偏差范圍稱精度。
精度等級與允許誤差對應關系：00（01）-±1%、0（02）-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、 Ⅳ-（+20%-10%）、Ⅴ-（+50%-20%）、Ⅵ-（+50%-30%）
一般電容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，電解電容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級，根據(jù)用途選取。
2.額定電壓
在最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度下可連續(xù)加在電容器的最高直流電壓有效值，一般直接標注在電容器外殼上，如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器擊穿，造成不可修復的永久損壞。常見的電容額定電壓與耐壓測試儀測量值的關系（ 600V的耐壓測試儀測量電壓為760V以上；
550V的耐壓測試儀測量電壓為715V以上；
500V的耐壓測試儀測量電壓為650V以上；
450V的耐壓測試儀測量電壓為585V以上；
400V的耐壓測試儀測量電壓為520V以上；
250V的耐壓測試儀測量電壓為325V以上；
200V的耐壓測試儀測量電壓為260V以上；
160V的耐壓測試儀測量電壓為208V以上；
100V的耐壓測試儀測量電壓為125V—132V以上；
80V的耐壓測試儀測量電壓為100V以上；
63V的耐壓測試儀測量電壓為79V以上；
50V的耐壓測試儀測量電壓為62.5V以上；
35V的耐壓測試儀測量電壓為50V以上
25V的耐壓測試儀測量電壓為35V以上
16V的耐壓測試儀測量電壓為19V以上
10V的耐壓測試儀測量電壓為13V以上
6.3的耐壓測試儀測量電壓為7.5V以上
以上為85℃產(chǎn)品；以下為105℃產(chǎn)品 ：
600V的耐壓測試儀測量電壓為780V以上；
550V的耐壓測試儀測量電壓為745V以上；
500V的耐壓測試儀測量電壓為660V以上；
450V的耐壓測試儀測量電壓為595V以上；
400V的耐壓測試儀測量電壓為540V以上；
250V的耐壓測試儀測量電壓為343V以上；
200V的耐壓測試儀測量電壓為270V以上；
160V的耐壓測試儀測量電壓為222V以上；
100V的耐壓測試儀測量電壓為132V以上；
80V的耐壓測試儀測量電壓為102V以上；
63V的耐壓測試儀測量電壓為84V以上；
50V的耐壓測試儀測量電壓為66.5V以上；
35V的耐壓測試儀測量電壓為52.5V以上
25V的耐壓測試儀測量電壓為38V以上
16V的耐壓測試儀測量電壓為21.6V以上
10V的耐壓測試儀測量電壓為13.5V以上
6.3的耐壓測試儀測量電壓為8.2V以上）
3.絕緣電阻
直流電壓加在電容上，并產(chǎn)生漏電電流，兩者之比稱為絕緣電阻.
當電容較小時，主要取決于電容的表面狀態(tài)，容量〉0.1uf時，主要取決于介質(zhì)的性能，絕緣電阻越大越好。
電容的時間常數(shù)：為恰當?shù)脑u價大容量電容的絕緣情況而引入了時間常數(shù)，他等于電容的絕緣電阻與容量的乘積。
4.損耗
電容在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱所消耗的能量叫做損耗。各類電容都規(guī)定了其在某頻率范圍內(nèi)的損耗允許值，電容的損耗主要由介質(zhì)損耗，電導損耗和電容所有金屬部分的電阻所引起的。
在直流電場的作用下，電容器的損耗以漏導損耗的形式存在，一般較小，在交變電場的作用下，電容的損耗不僅與漏導有關，而且與周期性的極化建立過程有關。
5.頻率特性
隨著頻率的上升，一般電容器的電容量呈現(xiàn)下降的規(guī)律。
大電容工作在低頻電路中的阻抗較小，小電容而比較適合工作在高頻環(huán)境下。
三、電容器的型號命名
國產(chǎn)電容器的型號一般由四部分組成（不適用于壓敏、可變、真空電容器）。依次分別代表名稱、材料、分類和序號。
第一部分：名稱，用字母表示，電容器用C。
第二部分：材料，用字母表示。
第三部分：分類，一般用數(shù)字表示，個別用字母表示。
第四部分：序號，用數(shù)字表示。
用字母表示產(chǎn)品的材料：A-鉭電解、B-聚苯乙烯等非極性薄膜、C-高頻陶瓷、D-鋁電解、E-其它材料電解、G-合金電解、H-復合介質(zhì)、I-玻璃釉、J-金屬化紙、L-滌綸等極性有機薄膜、N-鈮電解、O-玻璃膜、Q-漆膜、T-低頻陶瓷、V-云母紙、Y-云母、Z-紙介。
四、電容器的容量標示
1．直標法
用數(shù)字和單位符號直接標出。如1uF表示1微法，有些電容用“R”表示小數(shù)點，如R56表示0.56微法。
2．文字符號法
用數(shù)字和文字符號有規(guī)律的組合來表示容量。如p10表示0.1pF,1p0表示1pF,6P8表示6.8pF,2u2表示2.2uF.
3．色標法
用色環(huán)或色點表示電容器的主要參數(shù)。電容器的色標法與電阻相同。
電容器偏差標志符號：+100%-0--H、+100%-10%--R、+50%-10%--T、+30%-10%--Q、+50%-20%--S、+80%-20%--Z
4．數(shù)學計數(shù)法：如上圖瓷介電容，標值272，容量就是：27X100pf=2700pf.如果標值473，即為47X1000pf=后面的2、3，都表示10的多少次方）。
第二節(jié) 超級電容器產(chǎn)業(yè)基礎
一、超級電容器特性
1. 額定容量：
單位：法拉（F），測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）充電到額定電壓后保持2～3分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以額定電壓值，即：
由于等效串聯(lián)電阻（ESR）比普通電容器大，因而充放電時ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，如2.7V/5 000F超級電容器的ESR為：0.4mΩ，在100A電流放電時的ESR電壓降為40mV占額定電壓的1.5%，在950A電流放電時的ESR電壓降為380mV占額定電壓的14%，表明在額定電流下放電容量將為額定容量減小88.5%。
2. 額定電壓：
可以使用的最高安全端電壓（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久將來的3V），除此之外還有承受浪涌電壓電壓（可以短時承受的端電壓，通常為額定電壓的105%），實際上超級電容器的擊穿電壓遠高于額定電壓（約為額定電壓的1.5~3倍左右，與普通電容器的額定電壓/擊穿電壓比值差不多。
3. 額定電流：
5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，除此之外還有最大電流（脈沖峰值電流）
4. 最大存儲能量：
在額定電壓是放電到零所釋放的能量，以焦耳（J）或瓦時（Wh）為單位
5. 能量密度：
最大存儲能量除以超級電容器的重量或體積（Wh/kg或Wh/l）
6. 功率密度：
在匹配的負載下，超級電容器產(chǎn)生電/熱效應各半時的放電功率，用kW/kg或kW/l表示。
7. 等效串聯(lián)電阻：
測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1 000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）和規(guī)定的頻率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。通常交流ESR比直流ESR小，隨溫度上升而減小。
超級電容器等效串聯(lián)電阻較大的原因是：為充分增加電極面積，電極為多孔化活性炭，由于多孔化活性炭電阻率明顯大于金屬，從而使超級電容器的ESR較其它電容器的大。
8. 阻抗頻率特性：
超級電容器的阻抗頻率特性，相對較大的是ESR造成平坦底部的原因，超級電容器的頻率特性是電容器中頻率特性最差的。其原因是：一般電容器的電荷是導體中的以電子導電方式建立或泄放，而超級電容器的電荷的建立或泄放是以介質(zhì)中的離子或介質(zhì)電離極化實現(xiàn)，響應速度相對慢；大容量電容器在制造時均采用卷繞工藝，寄生電感相對無感電容器大。
9. 工作與存儲溫度：
通常為-40℃??+60℃或70℃，存儲溫度還可以高一些。
10. 漏電流：
一般為10μA/F
11. 壽命：
在25℃環(huán)境溫度下的壽命通常在90 000小時，在60℃的環(huán)境溫度下為4 000小時，與鋁電解電容器的溫度壽命關系相似。壽命隨環(huán)境溫度縮短的原因是電解液的蒸發(fā)損失隨溫度上升。壽命終了的標準為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。
12. 循環(huán)壽命：
20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇時間：10秒為一個循環(huán)。一般可達500000次。壽命終了的標準為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。
13. 發(fā)熱：
超級電容器通過紋波電流（充、放電）時，回發(fā)熱，其發(fā)熱量將隨著紋波電流的增加而。超級電容器發(fā)熱的原因是紋波電流流過超級電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）產(chǎn)生的功率（能量）損耗轉變?yōu)闊崮?。由于超級電容器的（ESR）較大，因此在同樣紋波電流條件下發(fā)熱量比一般電容器大。使用時應注意。
注意事項
超級電容器在串聯(lián)應用時特別是較大電容量是應采用均壓技術以保證每一個超級電容器單體端電壓再額定電壓內(nèi)，目前國內(nèi)已有各種規(guī)格的超級電容器均壓電路商品。
二、超級電容器工作原理
由于儲能機理的不同，人們將超級電容器分為：(1)基于高比表面積電極材料與溶液問界面雙電層原理的雙電層電容器；(2)基于電化學欠電位沉積或氧化還原法拉第過程的贗電容器。贗電容與雙電層電容的形成機理不同，但并不相互排斥。大比表面積準電容電極的充放電過程會形成雙電層電容，雙電層電容電極(如多孔炭)的充放電過程往往伴隨有贗電容氧化還原過程發(fā)生，實際的電化學電容通常是兩者共存的宏觀體現(xiàn)，要確認的只是何者占主要的問題。實踐過程中，人們?yōu)榱诉_到提高電容器的性能，降低成本的目的，經(jīng)常將贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合使用，制成所謂的混合電化學電容器?；旌想娀瘜W電容器可分為兩類，一類是電容器的一個電極采用贗電容電極材料，另一個電極采用雙電層電容電極材料，制成不對稱電容器，這樣可以拓寬電容器的使用電壓范圍，提高能量密度；另一類是贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合組成復合電極，制備對稱電容器。
（1）雙電層電容器
一對浸在電解質(zhì)溶液中的固體電極在外加電場的作用下，在電極表面與電解質(zhì)接觸的界面電荷會重新分布、排列。作為補償，帶正電的正電極吸引電解液中的負離子，負極吸引電解液中的正離子，從而在電極表面形成緊密的雙電層，由此產(chǎn)塵的電容稱為雙電層電容。雙電層是由相距為原子尺寸的微小距離的兩個相反電荷層構成，這兩個相對的電荷層就像平板電容器的兩個平板一樣。Helmholtz首次提出此模型。如圖所示。
能量是以電荷的形式存儲在電極材料的界面。充電時，電子通過外加電源從正極流向負極，同時，正負離子從溶液體相中分離并分別移動到電極表面，形成雙電層；充電結束后，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(wěn)定，在正負極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。在放電時，電子通過負載從負極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負離子從電極表面被釋放進入溶液體相呈電中性。
圖表 1 雙層電容器工作原理
對于一個對稱的電容器(相同的電極材料)，電容值為：
C1和C2分別為兩個電極的電容值。單電極的電容計算公式：
其中：ε為雙電層中的介電常數(shù)，A為電極的表面積，t是雙電層的厚度。
雙電層的能量及功率密度可通過下式分別計算得到(R為等效電阻)：
根據(jù)以上兩個公式可知：電容器工作電壓的增大可以顯著地提高功率密度和能量密度。
(2)法拉第贗電容器
法拉第贗電容器也叫法拉第準電容，是在電極表面活體相中的二維或三維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸附或氧化還原反應，產(chǎn)生與電極充電電位有關的電容。這種電極系統(tǒng)的電壓隨電荷轉移的量呈線性變化，表現(xiàn)出電容特征，故稱為“準電容”，是作為雙電層型電容器的一種補充形式。法拉第準電容的充放電機理為：電解液中的離子( 一般為H+或OH-)在外加電場的作用下向溶液中擴散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學反應進入到電極表面活性氧化物的體相中；若電極材料是具有較大比表面積的氧化物，就會有相當多的這樣的電化學反應發(fā)生，大量的電荷就被存儲在電極中。放電時這些進入氧化物中的離子又會重新回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路釋放出來。
在電極的比表面積相同的情況下，由于法拉第贗電容器的電容在電極中是由無數(shù)微等效電容電路的網(wǎng)絡形式形成的，其電容量直接與電極中的法拉第電量有關，所以法拉第贗電容器的比電容是雙電層電容器的10—100倍，目前對法拉第贗電容的研究工作成為一個重點開展的方向。
三、超級電容器結構
超級電容器結構上的具體細節(jié)依賴于對超級電容器的應用和使用。由于制造商或特定的應用需求，這些材料可能略有不同。所有超級電容器的共性是，他們都包含一個正極，一個負極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。
超級電容器的結構如圖所示．是由高比表面積的多孔電極材料、集流體、多孔性電池隔膜及電解液組成。電極材料與集流體之間要緊密相連，以減小接觸電阻；隔膜應滿足具有盡可能高的離子電導和盡可能低的電子電導的條件，一般為纖維結構的電子絕緣材料，如聚丙烯膜。電解液的類型根據(jù)電極材料的性質(zhì)進行選擇。
圖表 2 超級電容器的基本結構
上圖中各部分為：（1）：聚四氟乙烯載體；（2）（4）：活性物質(zhì)壓在泡沫鎳集電極上；（3）：聚丙烯電池隔膜。
超級電容器的部件從產(chǎn)品到產(chǎn)品可以有所不同。這是由超級電容器包裝的幾何結構決定的。對于棱形或正方形封裝產(chǎn)品部件的擺放，內(nèi)部結構是基于對內(nèi)部部件的設置，即內(nèi)部集電極是從每個電極的堆疊中擠出。這些集電極焊盤將被焊接到終端，從而擴展電容器外的電流路徑。
對于圓形或圓柱形封裝的產(chǎn)品，電極切割成卷軸方式配置。最后將電極箔焊接到終端，使外部的電容電流路徑擴展。略……
第三節(jié) 2011-2012年中國超級電容器技術現(xiàn)狀
一、超級電容電池技術
生產(chǎn)超級電容器的工藝流程主要分為以下九步：配料→混漿→制電極→裁片→組裝→注液→活化→檢測→包裝。
二、超級電容器新技術研究
超級電容器在需要更高效更可靠電源的新技術領域中逐漸嶄露頭角。超級電容器在混合能源汽車尤其是電動客車中的作用尤為巨大。正因為超級電容器的許多顯著優(yōu)勢，在汽車、電力、鐵路、通信、國防、消費性電子產(chǎn)品等方面有著巨大的應用價值和市場潛力，因而被世界各國所廣泛關注。
超級電容器在混合能源汽車中所起的作用是十分重要的。隨著能源價格的不斷上漲，以及歐洲汽車制造商承諾在1995年到2008年之間將汽車CO2的排 放量減少25%，所有這些都大大促進了混合能源技術的發(fā)展。超級電容器是一種新型的關鍵部件。在采用燃料電池供電的汽車中，如果結合使用超級電容器，那么燃料電池就可以滿足持 續(xù)供電需求，而不僅僅是峰值供電。除了能夠滿足峰值供電的需求外，超級電容器還具有其他元件無法比擬的響應時間。將超級電容器的強大性能和燃料電池結合起 來，可以得到尺寸更小、重量更輕、價格更低廉的燃料電池系統(tǒng)。
超級電容器還可以與氫燃料電池完美結合，使正處于研發(fā)階段的氫燃料電池能夠應用于多個領域。氫燃料電池與風能或太陽能不同，只要有氫燃料，它就能夠持續(xù)輸 出穩(wěn)定的電能。然而，在某些應用場合，對能量的需求隨著時間的變化有很大不同。汽車就是一個直接的例子，因為它們在加速過程中需要的能量比勻速行駛時要高 得多。如果沒有能量存儲器，氫燃料電池就要做得很大，以滿足最高的峰值能量需求，其成本就會大得無法忍受。通過將過剩的能量存儲在能量存儲器中，就可以在短時間內(nèi)通過存儲器提供所需的峰值能量。
超級電容器在電動客車中的作用尤為巨大。鑒于無軌電車架空線的“視覺污染”以及“機動性差”、“規(guī)劃困難”三大難題，致使無軌電車在我國日益遭遇冷落，一些城市相繼實施“電改汽工程”，縮減電車規(guī)模，有的則干脆將線網(wǎng)拆除。但由于石油緊張和汽車尾氣排放帶來的能源危機和環(huán)境污染問題日益凸現(xiàn)，使用汽 車也非理想選擇，致使城市公共交通的發(fā)展陷入了兩難的尷尬境地。
超級電容器已成為改善傳統(tǒng)電車缺陷，發(fā)揮其零排放、節(jié)能、低成本、低噪音等優(yōu)點的一種先進的儲能裝 置。超級電容公交電車是以超級電容器為動力電源的新型節(jié)能電車，車輛保持了無軌電車的優(yōu)點，沒有任何排放，同時無軌無線，完全滿足了現(xiàn)代化綠色環(huán)保公交的 需要。新能源汽車是全球汽車行業(yè)重點關注的領域，超級電容是其要害部件。盡管超級電容誕生的時間不長，國際上對這項新技術的研究還處于探索階段，關鍵性能指標還有待進一步提升。
盡管目前超級電容客車價格比普通公交車高一些，但隨著應用范圍的逐步擴大，工藝技術的不斷改進，生產(chǎn)成本的日益減少，進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段后，價格還可以大幅度下降。再者，還可以對該車的重量、體積、底盤結構以及各關鍵部件的匹配進行系統(tǒng)優(yōu)化，從而進一步降低單車成本。由此可以預言，為期不久，質(zhì) 優(yōu)價廉的新能源客車一定能夠迅速普及。而且，隨著技術的不斷改進和日趨成熟，綠色環(huán)保的新能源轎車和新能源貨車也會大批涌現(xiàn)，多種類大批量的電動車輛必將 在中國大地及世界各地承載希望駛向未來，超級電容器也必將具有更加廣闊遠大的市場前景。
三、超級電容器技術水平差距
盡管超級電容器技術已經(jīng)進入了產(chǎn)業(yè)化的快車道，但其中仍然存在著許多技術難題，這些都限制了超級電容器性能的進一步提高，制作成本的進一步降低，應用范圍的進一步延伸，及消費市場的進一步拓展。這些問題主要有如下幾個方面：
(1)尋找性能更優(yōu)，成本更低的電極材料。電極材料是影響超級電容器性能和生產(chǎn)成本的關鍵因素，因此對于超級電容器的研究幾乎都是圍繞著電極材料進行的。而國內(nèi)電極材料存在性能不佳和可選擇范圍小等問題，所以我國在超級電容器的核心部分即高性能電極材料的生產(chǎn)上一直存在瓶頸。所以企業(yè)若想實現(xiàn)長足發(fā)展就必須加強對電極材料的創(chuàng)新研究，必要時可以與研究院和高校合作研發(fā)。
(2)尋求更優(yōu)化的匹配組合方法。超級電容器單體產(chǎn)生的電壓一般比較低，每只電容耐壓大約僅有2．5V左右，電池要靠多只串聯(lián)組合提供高電壓，這就需要非常復雜的電路來保證每只單體電容的均壓問題，一旦電壓過了，就會損壞，而且一旦組合匹配不好就會影響到電池組的性能和壽命。沒有好的匹配方法將直接造成超級電容電池組的成本過高，儲能相當于500Ah電池組的價格估計要數(shù)百萬元。
所以企業(yè)若想生產(chǎn)出更多種類型號的超級電容器，想要自己的產(chǎn)品有更為廣闊的應用領域，就必需尋求匹配組合技術的突破。
(3)解決慢放電控制問題。超級電容器的自放電率很高，自放電現(xiàn)象較其他儲能器件都要嚴重，這也就限制了超級電容器不能像傳統(tǒng)電池一樣長時間穩(wěn)定儲能。另外超級電容自放電大小還與充電條件有關，若是恒壓充電，充電時間較長，效果很好；若是恒流充電，充電時間較短，自放電就較嚴重，因為迅速充完電以后，電荷只停留在超級電容的擴散層。
所以超級電容器若要像普通電池一樣廣泛應用于多個領域就必須解決慢放電控制問題，而開發(fā)出能夠穩(wěn)定儲能的超級電容電池也就顯得尤為重要。
(4)解決內(nèi)阻較高的問題。雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大，超級電容器的較大的內(nèi)阻會阻礙其快速放電，其時間常數(shù)下在1 S～2s，給阻一容式電路完全放電大約需要5，r。所以要得到放電更快的超級電容器就必須進一步降低其內(nèi)阻。目前主要可以從兩方面降低內(nèi)阻：一方面，從原材料上人手減少極片和電解液本身內(nèi)阻；另一方面，通過改變封裝結構減少接觸內(nèi)阻，達到進降低產(chǎn)品內(nèi)阻的目的。
(5)進一步減小體積。盡管超級電容器較普通電容器的容量大了3—4個數(shù)量級，但和電池相比單位體積的容量還是太小，電池與其體積相當?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰俊Ｋ猿夒娙萜魅粝肱c傳統(tǒng)電池爭奪市場，就必須在這方面下足功夫。
除此之外，如果超級電容器要運用在電動機車和電力等系統(tǒng)中，其可靠性還需進一步提高。
第四節(jié) 電極材料
一、碳（炭）材料
碳（炭）電極材料比表面極大，原料低廉，有利于實現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)，但是比容量相對比較低，要提高材料的比表面積來相應提高其比容量。目前，主要研究的是具有高比表面積和內(nèi)阻較小的多孔碳材料、（活化）碳納米管以及對碳基材料進行改性的含碳的復合材料等（例如活性炭炭黑等復合材料）。
1、純碳（炭）材料
在種類繁多的碳（炭）材料中，常用的有活性炭粉末、活性炭纖維、炭黑、納米碳纖維、碳納米管、碳氣凝膠、玻璃碳、網(wǎng)絡結構碳和某些有機物的炭化產(chǎn)物等。而當前研究前景較好的是碳納米管和碳氣凝膠。
碳納米管具有類似石墨的化學鍵，結晶度高，導電性好，呈準一維電子結構，所以有大量離域電子可沿管壁朝一個方向移動，因而能攜帶高電流。碳納米管的另一個重要特點是具有獨特的中空管腔結構(孔徑多在2~50nm),呈交織網(wǎng)狀分布，且微孔大小可通過合成工藝加以控制。由于碳納米管具有大的比表面積，合適的孔結構和高導電性，被認為是超級電容器的理想電極材料。
碳納米管的成本普遍較高。以CH4和La2NiO4為原料，用蒸氣沉積法制得普通碳納米管(CNT)，用KOH溶液活化得到活性CNT，用于超級電容器，活性CNT的電容是普通CNT的2倍，比表面積為3倍,孔體積為1.5倍。目前含碳納米管的超級電容器電極材料有兩大主要方向：單純碳納米管作電極材料和含碳納米管的復合物作電極材料。
碳氣凝膠的制備相對比較復雜。碳氣凝膠是一種具有交聯(lián)結構的納米多孔材料，其密度變化范圍大，孔隙率高，孔徑分布廣。用作超級電容器電極材料時，不需要加入粘合劑，電導率高。碳氣凝膠一般采用間苯二酚(R)和甲醛(F)為原料，在催化劑作用下經(jīng)脫水干燥，得到RF碳氣凝膠。由于間苯二酚成本較高,RF碳氣凝膠間苯二酚產(chǎn)業(yè)化受到限制。以甲酚(C)代替間苯二酚得到CF碳氣凝膠，雖然原料成本較低，但工藝條件苛刻,產(chǎn)業(yè)化也有困難。將甲酚與間苯二酚按一定比例混合,再與甲醛反應,在常壓下制得CmRF碳氣凝膠。分析表明:CmRF碳氣凝膠與RF碳氣凝膠結構類似，體積比電容為77F/cm3。
2、碳復合材料
采取工業(yè)界新研制的BET表面積達1 654 m2/g，1～5 nm 孔徑占 75％的高性能活性炭作為超電容器電極材料，同時添加高比表面積、高導電性的納米炭黑（BET 比表面積為 1080 m2/g，電阻率為 0.27 O•cm）作為導電劑，利用超聲混合技術制備活性炭/炭黑復合電極，通過循環(huán)伏安和恒流充放電實驗研究制備的活性炭/炭黑復合電極在水系電解液中的電容行為，實驗結果表明復合電極顯示出良好的電容行為和較好的功率特性，復合電極比容量達到 102.4 F/g。
為提高碳電容器的容量,可以嘗試用不同的材料來修飾碳材料。采用Co真空浸漬、堿化處理的方法對活性炭電極進行了修飾。測試結果表明，Co修飾后的活性炭的電極具有雙電層電容和法拉第準電容，采用Co修飾后的活性炭的單電極在C和Co的質(zhì)量比為13：1時比容量可達158.24F/g，其比容量比未修飾的活性炭電極比容量(124.76F/g)高26.8%，電容量的提高是Co和活性炭的協(xié)同作用的結果。用修飾后的活性炭組成電容器的循環(huán)性能較好，在1000次循環(huán)后比容量保持在91%以上，電容器的容量高于未修飾的活性炭電容器,其漏電流很小,適合作超級電容器的電極材料。
為了提高碳納米管超級電容器的性能，在碳納米管表面沉積MnO2引進法拉第準電容，并利用TEM、BET、循環(huán)伏安和恒流充放電測試對實驗樣品進行了分析和表征，結果表明MnO2沉積有效地提高了碳納米管超級電容器的性能。在充放電電流密度為5mA/cm2時,在碳納米管的比容為46F/g的情況下，碳納米管/MnO2復合物的比容150F/g，而且碳納米管/MnO2復合物的超級電容器具有良好的功率特性。
二、金屬氧化物以及水合物材料
1、常見金屬氧化物及水合物材料
一些金屬氧化物以及水合物是超級電容器電極的很好材料，金屬氧化物電極在超級電容器中產(chǎn)生的法拉第準電容比碳材料電極表面的雙電層電容要大許多。因為在氧化物電極上發(fā)生快速可逆的電極反應，而且該電極反應能深入到電極內(nèi)部，因此能量存儲于三維空間中，提高了能量密度。
Ru的氧化物以及水合物作為超級電容器電極材料的研究報道很多，而且性能也比較好，但是Ru屬于貴金屬，成本較高，并且有毒性，對環(huán)境有污染，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。因此，人們開始尋找其他廉價的金屬材料來代替Ru。
氧化錳資源廣泛，價格低廉，具有多種氧化價態(tài)，而且對環(huán)境無污染，在電池電極材料和氧化催化材料上已經(jīng)廣泛地得到應用。
除了氧化錳之外，氧化鎳也是研究的重點。有研究者采用液相法合成了NiO電極，單電極比容量達到256F/g，雙電極比容量也達65F/g，比能量和比功率分別達到40kJ/kg和17W/kg。
氧化鈷材料也是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ某夒娙萜麟姌O材料。有人使用醇鹽水解法制
2、金屬復合材料
金屬復合電極材料目前研究的重點是找出合適的金屬或氧化物來替代Ru，減少Ru的用量，降低成本，并提高電極材料的比電容。
程杰等采用超薄型燒結復合鎳鈷電極(Co：Ni約1：4，厚度為0.31mm)為正極，用比電容達250F/g的活性炭電極為負極， 7mol/LKOH溶液為電解液組裝成的超級電容器,恒流充放電效率高，倍率性能較好，自放電較小，比能量達到16Wh/kg，最大比功率達10kW/kg(以正、負電極質(zhì)量之和為基準)。
張寶宏等[16]在MnO2中添加了PbO，用以抑制電化學惰性物質(zhì)Mn3O4的生成和積累，從而改善電極的性能。由其實驗數(shù)據(jù)可知，添加2%β-PbO的MnO2電極比容量達到165.7---260 F/g，比無添加劑的MnO2電極的比容量高出62.5%。從2 000次的循環(huán)性能看，在電流密度為50mA/cm2時，添加β-PbO的MnO2電極仍具有較好的循環(huán)性，容量衰減不到10%。
三、導電聚合物電極材料
導電聚合物是一種新型的電極材料，其貯能機理是：通過電極上聚合物中發(fā)生快速可逆的n型、p型元素摻雜和去摻雜氧化還原反應，使聚合物達到很高的貯存電荷密度，從而產(chǎn)生很高的法拉第準電容。充電時,電荷在整個聚合物材料內(nèi)貯存,比電容大，導電聚合物具有塑性，易于制成薄層電極，內(nèi)阻小。聚合物電容器的比能量和比功率分別為30~50Wh/kg和2~20kW/kg，其比電容是碳電極材料的5~6倍，且聚合物電極材料可確保電容器在310~312V的電壓下工作，成本低，有較大研究價值。略……
第五節(jié)2011-2012中國超級電容器制造行業(yè)規(guī)模分析
一、企業(yè)數(shù)量增長分析
圖表 31 2011-2012年9月我國超級電容器制造行業(yè)企業(yè)數(shù)量分析
二、從業(yè)人數(shù)增長分析
圖表 32 2011-2012年9月我國超級電容器制造行業(yè)從業(yè)人數(shù)分析
三、資產(chǎn)規(guī)模增長分析
圖表 33 2011-2012年9月我國超級電容器行業(yè)資產(chǎn)分析
第六節(jié)2012年中國超級電容器制造行業(yè)結構分析一、
企業(yè)數(shù)量結構分析
企業(yè)數(shù)量結構分析
1、不同類型分析
圖表 34 我國超級電容器制造行業(yè)不同類型企業(yè)數(shù)量結構分析
2、不同所有制分析
圖表 35 我國超級電容器制造行業(yè)不同所有制企業(yè)數(shù)量結構分析
二、銷售收入結構分析
1、不同類型分析
圖表 36 我國超級電容器制造行業(yè)不同類型企業(yè)銷售收入結構分析
2、不同所有制分析
圖表 37 我國超級電容器制造行業(yè)不同所有制企業(yè)銷售收入結構分析
略……
第七節(jié)2012-2017年中超級電容器行業(yè)發(fā)展展望
一、電容器的發(fā)展趨勢
1、進一步提高電力電容器的技術水平
電力電容器是無功補償裝置的核心，近幾年制造技術有了很大提高，但與國外先進技術水平還有很大差距，主要是原材料(特別是薄膜介質(zhì)材料)、工藝裝備和管理體制等方面造成的。要縮小這個差距，如將近2年目標定為主導產(chǎn)品單臺容量500kvar、比特性0.15—0.2kg/kvar，就需要我們完善先進的工藝裝備，同時要在體制改革上有所突破。國外企業(yè)產(chǎn)品品種雖多，但分別交由大企業(yè)集團的專業(yè)工廠制造，專業(yè)化使產(chǎn)品質(zhì)量提高，也促使技術更新加快。因此，企業(yè)機制的改革是技術進步的基礎。
2、產(chǎn)品向高可靠性、無油化和環(huán)境適應性方向發(fā)展。合理選擇內(nèi)熔絲、外熔絲和無熔絲結構很重要。從無油化考慮，自愈式高電壓電容器、充氣集合式電容器都是可供選擇的方案。這一切均要以安全可靠為基礎。
3、大力發(fā)展新型濾波、靜補和串補裝置。由于電力電子器件的應用，電網(wǎng)中諧波污染愈加嚴重，發(fā)展經(jīng)濟、適用、高效的無源和有源濾波器是十分必要的。目前，國產(chǎn)靜補裝置主要應用于冶金企業(yè)，在電力系統(tǒng)必須大力發(fā)展先進的靜補裝置，以替代運行費用高的老式調(diào)相機組，增加系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。串補裝置包括固定串補和可控串補，目前主要依賴進口，盡快實現(xiàn)串補裝置國產(chǎn)化是提高輸電容量和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要措施。
4、直流輸電用電力電容器全品種國產(chǎn)化。我國已成功運行5條超高壓直流線路，電力電容器是其中的一項重要設備。在直流換流站，應用到9種不同類型的電力電容器，其中的并聯(lián)電容器已實現(xiàn)國產(chǎn)化，交直流濾波電容器還屬于小批試運行階段，主要靠進口。所以，實現(xiàn)直流輸電電容器全品種國產(chǎn)化，特別是交直流濾波電容器國產(chǎn)化，努力達到或接近國外先進水平是當務之急。
5、自2005年國家提出特高壓電網(wǎng)的構想之后，百萬伏級交流和±800kV級直流系統(tǒng)特高壓電網(wǎng)無疑成為今后幾年內(nèi)國內(nèi)電網(wǎng)建設最引人注目的概念。國家電網(wǎng)公司2006-2010年主要目標之首就是以特高壓電網(wǎng)為核心的國家電網(wǎng)規(guī)劃建設取得突破性進展，特高壓示范工程已開工建設。國家電網(wǎng)公司要在近兩年內(nèi)建成兩條1000kV特高壓交流輸變電工程，一是陜北、晉東南、南陽、荊門、武漢的中線工程，二是淮南、皖南、浙北、上海的東線工程。同時±800kV直流輸電工程的四川—上海也已經(jīng)開工建設。南方電網(wǎng)公司與國家電網(wǎng)公司形成呼應之勢，南方電網(wǎng)將采用±800kV直流和1000kV交流輸電技術在南方五省建設長距離電網(wǎng)。建設長距離的超高壓電網(wǎng)，需要電量的變電設備，普通電力電容器不能滿足需求，因而需要大量的高壓電力電容器產(chǎn)品。
6、加速科技研發(fā)，促進無功補償裝置技術的應用。加強各種交流無功補償裝置，交、直流輸電用濾波成套裝置，冶金等行業(yè)用SVC等成套設備的技術交流，抓緊無功補償裝置有關標準的制定和修訂，提高無功補償裝置制造的技術水平。積極開展無功補償技術的學術交流和講座，進一步推進低壓無功補償裝置的制造和應用水平。
7、除了高壓交流濾波和并聯(lián)電容器、高壓直流濾波電容器之外，閥用電容器、交流PLC電容器、直流PLC電容器、中性線電容器、直流斷路器用電容器也將有市場需求。
二、超級電容器市場發(fā)展前景廣闊
超級電容器市場前景非常廣闊，市場需求量非常大，并且以很高的速度增長，而超級電容器市場規(guī)模也在高速擴展。
三、技術進步將推動超級電容器進入新時代
超級電容器的原理并非新技術，常見的超級電容器大多是雙電層結構，同電解電容器相比，這種超級電容器能量密度和功率密度都非常高。同傳統(tǒng)的電容器和二次電池相比，超級電容器儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。在最近幾年中，超級電容器已經(jīng)開始進入很多應用領域，如消費電子、工業(yè)和交通運輸業(yè)等領域。略……
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