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超級電容器

1、原理與簡介

 

超級電容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、電化學電容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容,通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件,但在其儲能的過程並不發生化學反應,這種儲能過程是可逆的,也正因為此超級電容器可以反複充放電數十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板,在極板上加電,正極板吸引電解質中的負離子,負極板吸引正離子,實際上形成兩個容性存儲層,被分離開的正離子在負極板附近,負離子在正極板附近。

超級電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界麵雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知,插入電解質溶液中的金屬電極表麵與液麵兩側會出現符號相反的過剩電荷,從而使相間產生電位差。那麼,如果在電解液中同時插入兩個電極,並在其間施加一個小於電解質溶液分解電壓的電壓,這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動,並分別在兩上電極的表麵形成緊密的電荷層,即雙電層。
它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似,從而產生電容效應,緊密的雙電層近似於平板電容器,但是,由於緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離要小得多,因而具有比普通電容器更大的容量。

雙電層電容器與鋁電解電容器相比內阻較大,因此,可在無負載電阻情況下直接充電,如果出現過電壓充電的情況,雙電層電容器將會開路而不致損壞器件,這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時,雙電層電容器與可充電電池相比,可進行不限流充電,且充電次數可達10^6次以上,因此雙電層電容不但具有電容的特性,同時也具有電池特性,是一種介於電池和電容之間的新型特殊元器件。

2、分類:

 

 

按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器:

雙電層型超級電容器

1.活性碳電極材料,采用了高比表麵積的活性炭材料經過成型製備電極。

2.碳纖維電極材料,采用活性炭纖維成形材料,如布、氈等經過增強,噴塗或熔融金屬增強其導電性製備電極。

3.碳氣凝膠電極材料,采用前驅材料製備凝膠,經過炭化活化得到電極材料。

4.碳納米管電極材料,碳納米管具有極好的中孔性能和導電性,采用高比表麵積的碳納米管材料,可以製得非常優良的超級電容器電極。

以上電極材料可以製成:

1.平板型超級電容器,在扣式體係中多采用平板狀和圓片狀的電極,另外也有Econd公司產品為典型代表的多層疊片串聯組合而成的高壓超級電容器,可以達到300V以上的工作電壓。

2.繞卷型溶劑電容器,采用電極材料塗覆在集流體上,經過繞製得到,這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。

贗電容型超級電容器:

包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料,金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料,活性炭作為負極材料製備的超級電容器,導電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經P型或N型或P/N型摻雜製取電極,以此製備超級電容器。這一類型超級電容器具有非常高的能量密度,除NiOx型外,其它類型多處於研究階段,還沒有實現產業化生產。

按電解質類型:

可以分為水性電解質和有機電解質類型:

水性電解質

1.酸性電解質,多采用36%的H2SO4水溶液作為電解質。

2.堿性電解質,通常采用KOH、NaOH等強堿作為電解質,水作為溶劑。

3.中性電解質,通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質,水作為溶劑,多用於氧化錳電極材料的電解液。

有機電解質:

通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質,有機溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑,電解質在溶劑中接近飽和溶解度。

其他:

1.液體電解質超級電容器,多數超級電容器電解質均為液態。

2.固體電解質超級電容器,隨著鋰離子電池固態電解液的發展,應用於超級電容器的電解質也對凝膠電解質和PEO等固體電解質進行研究。

3、與電池的比較

超級電容器不同於電池,在某些應用領域,它可能優於電池。有時將兩者結合起來,將電容器的功率特性和電池的高能量存儲結合起來,不失為一種更好的途徑。

超級電容器在其額定電壓範圍內可以被充電至任意電位,且可以完全放出。而電池則受自身化學反應限製工作在較窄的電壓範圍,如果過放可能造成永久性破壞。超級電容器的荷電狀態(SOC)與電壓構成簡單的函數,而電池的荷電狀態則包括多樣複雜的換算。超級電容器與其體積相當的傳統電容器相比可以存儲更多的能量,電池與其體積相當的超級電容器相比可以存儲更多的能量。在一些功率決定能量存儲器件尺寸的應用中,超級電容器是一種更好的途徑。超級電容器可以反複傳輸能量脈衝而無任何不利影響,相反如果電池反複傳輸高功率脈衝其壽命大打折扣。超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。超級電容器可以反複循環數十萬次,而電池壽命僅幾百個循環。

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