引言

 

在21世纪，能源储存是人类最大的挑战之一。只有开发低成本、低碳排放的环保能源转换和储存系统，才能满足现代社会发展的环保需求，解决日益出现的生态问题。风能、太阳能、地热能、潮汐能等清洁能源正逐渐取代化石能源。偶然性和不可持续性是新能源的缺点，严重阻碍了新能源的广泛应用。因此，开发高效稳定的储能装置对促进能源转化利用具有重要意义。

 

双电层电容器能量密度受限原理

 

锂离子电池具有能量比高的特点，是电化学储能研究的重点和热点；然而，嵌入/脱嵌的反应机制决定了其反应速率慢，导致功率密度低、循环寿命短，难以满足快速充放电、高功率、长期可靠使用的需要。双电层电容器作为一种新型储能装置，其吸附/脱附反应机制决定了其充放电快、循环寿命长、功率密度高的特点。但正是这种储能机制决定了双电层电容器的能量密度通常不超过10W⋅h/kg，远低于锂离子电池，无法满足应用场景对高比能量的需求。因此，如何提高能量密度是双电层电容器研究的重点。双电层电容器的能量密度可以通过提高电极材料的容量来提高。因此，如何提高电极材料的容量已成为近半个世纪的研究热点。例如，当改性交联聚苯胺纳米棒材料的扫描速率为1mV/s时，改性交联聚苯胺的扫描速率达到455.1F/g；聚苯胺的负载影响二硫化钼/聚苯胺复合材料比电容器的大小。当负载达到53%(质量分数)时，表现出最佳的电化学性能；当电流密度为1A/g时，还原氧化石墨烯水凝胶比电容器达到387.43F/g；聚吡咯/醌磺酸盐/还原氧化石墨烯复合材料的最大功率密度达到6240.5mW/m2；二硫化钼/聚苯胺/还原性氧化石墨烯气凝胶的比电容达到618F/g(电流密度为1A//g)；氧化石墨材料以四丁基氢氧化铵、十六烷基三甲基和十二烷基苯磺酸改性，具有极高的比电容。但对于实际应用的电容器来说，材料比电容器的提高并不意味着电容器能量密度的提高。高材料电容一般意味着较大的比表面积，这通常会导致较大的孔隙率。在实际工作中，电极材料的间隙基本上需要充满电解质，但这会增加电极的质量，进而降低能量密度。

 

2固态超级电容器的功能特性

 

2.1可拉伸功能

 

可拉伸固态超级电容器具有良好的拉伸性能，在便携式可穿戴电子产品中具有应用前景。根据设备的设计原理，可拉伸固态超级电容器可分为两种：（1）通过结构设计或附着在聚二甲基硅氧烷上的无拉伸材料（ＰＤＭＳ）、聚氨酯（ＰＵ）、硅橡胶，苯乙烯－乙烯／丁二烯－苯乙烯共聚物（ＳＥＢＳ）在可拉伸基础上实现设备的拉伸，称为结构设计型；(2)设计本征可拉伸的电极和固态电解质实现设备的可拉伸，称为本征型。通过金纳米颗粒／聚丙烯酰胺（ＧＰ）水凝胶电解质和金纳米颗粒／碳纳米管／聚丙烯酰胺＠聚吡咯（ＧＣＰ＠ＰＰｙ）水凝胶电极构建了一种集成的可拉伸固态超级电容器，具有优异的弯曲、扭曲和拉伸性能，拉伸率为800％89.5.5时容量保持率保持89.5％，经２００％，４００％，６００％和８００％每200次连续拉伸后，容量保持率仍可达到72％。此外，该电容器还具有优异的自修复功能，经过10次反复“破坏”－修复后的容量保持率为80％。Ｐａｒｋ等［６５］采用ＭＷＣＮＴ／ＭｏＯ3纳米复合材料电极和（ＡＣＮ－ＰＣ－ＰＭＭＡ－ＬｉＣｌＯ4)凝胶电解质制备了一种结构设计的可拉伸固体超级电容器，以可拉伸织物为基础，与应变传感器形成一个集成系统，用于检测生物信号。1.433的超级电容器Ａ·ｇ－10000次充放电循环后，电流密度为76％，300分别动态折叠、扭曲和施加％经过动态拉伸等机械性能测试，容量基本没有衰减。

 

2.2可压缩功能

 

可压缩固态超级电容器能承受比自身重量高出数倍的负荷，保持其微观结构和电化学性能稳定性，在一些对机械性能要求极端的柔性电源设备和软机器人系统中具有不可替代的作用。可压缩固态超级电容器根据可压缩介质可分为三种：可压缩基材、可压缩电极和可压缩电解质，其中可压缩电解质主要通过电解质的化学或物理交联实现可压缩功能。例如，聚吡咯电沉积的碳纳米管纸作为电极，乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子（ＶＳＮＰｓ）交联质子与聚丙烯酰胺混合（ＰＡＭ）水凝胶作为电解质组装了一种可压缩固态电容器。

 

3电网并联电容器装置电抗率优化思路

 

公共变电站使用的电容器产生的谐波具有随机性和复杂性，使得谐波抑制更加困难。传统的基于非线性负荷的谐波处理可以通过控制各种谐波的电流限值来达到一定的抑制效果，但也存在设备投资高、无功消耗大的问题。因此，本文提出了不同电抗组合优化的设计方案，其优化思路是在保证电容器装置运行安全、电容器装置接入电网谐波符合相关标准的基础上，努力最大限度地降低电抗总值，从而在节约投资、减少无功消耗方面实现统筹兼顾，达到理想的谐波抑制效果。

 

4电容器装置电抗率组合方案的应用实例

 

在某个地方，500kV变电站有两个主要变电站。35kV侧安装2组9.5mvar电容器组，串联5%串联抗，抑制上一级系统的5次以上谐波。变电站按设计投入运行后，测量35kV背景谐波，发现三次谐波电压含量为0.8%～1.0%，其他谐波的电压含量也保持在0.3%以下。串联1组5%串抗电容器组后，再次测量发现三次谐波电压含量有一定程度的增加，为1.5%；继续增加电容器组数量，串联2组时三次谐波电压含量达到8.11%。对比可以发现，随着串联电容器组数量的增加，三次谐波也严重放大。为避免三次谐波严重超标对电网运行的不利影响，设计并采用了电容器装置电抗率的优化方案。用12%串抗代替原来的1组5%串抗，形成5%+12%的组合，从而增加了三次谐波的综合阻抗。从计算结果来看，在原有的“5%+5%”组合下，综合阻抗Z=6Ω；取代“5%+12%”组合后，综合阻抗Z=4.5Ω。优化后可有效抑制三次以上谐波，使变电站恢复稳定运行。

 

结束语

 

与传统电容器相比，电容器具有突出的优点，能量密度显著提高；与传统电池相比，它具有较高的功率密度和快速充放电能力，因此得到了广泛的关注和研究，其中超级电容器电极材料仍然是研究的重点。电极材料是决定超级电容器电气性能的关键因素。电极材料的研究逐渐从碳基材料向过渡金属及其氧化物、导电聚合物和复合材料（包括合金材料）发展。