超級(jí)電容器，又稱電化學(xué)電容器、電雙層電容器、黃金電容器和法拉電容，是20世紀(jì)70年代和80年代開(kāi)發(fā)的一種電化學(xué)元件，使用極化電池電解液來(lái)儲(chǔ)存能量。

 

超級(jí)電容器的介紹

與傳統(tǒng)的化學(xué)電源不同，超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的特殊性質(zhì)的電源。它們主要依靠電雙層和氧化還原假電容器來(lái)儲(chǔ)存電能。然而，在超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這種能量存儲(chǔ)過(guò)程是可逆的，正是因?yàn)槿绱耍?jí)電容器可以反復(fù)充電和放電數(shù)十萬(wàn)次。

超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)取決于超級(jí)電容器的應(yīng)用和使用。這些材料可能因制造商或具體應(yīng)用需求而略有不同。超級(jí)電容器的共同點(diǎn)是，它們包含一個(gè)陰極電極，一個(gè)陽(yáng)極電極，以及兩個(gè)電極之間的分離器，電解質(zhì)填充由兩個(gè)電極和分離器分隔的兩個(gè)孔隙。

 

 

超級(jí)電容器是由具有高比表面積的多孔電極材料、多孔電池隔膜和電解質(zhì)組成。我們的網(wǎng)站還有一篇關(guān)于電池分離器的五大電池分離器公司的文章，幫助你了解更多關(guān)于電池分離器的信息。分離劑應(yīng)滿足具有盡可能高的離子電導(dǎo)率和盡可能低的電子電導(dǎo)率的條件，一般是具有纖維結(jié)構(gòu)的電子絕緣材料，如聚丙烯薄膜。電解液的類型是根據(jù)電極材料的特性來(lái)選擇的。

 

超級(jí)電容器的分類

根據(jù)超級(jí)電容器的不同儲(chǔ)能機(jī)制，可分為以下兩類：

● 雙電層電容： 作為一種超級(jí)電容器，它是由電極/溶液界面的電子或離子的定向排列引起的電荷對(duì)抗而產(chǎn)生。對(duì)于一個(gè)電極/溶液系統(tǒng)，在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液的界面上形成一個(gè)電雙層。

當(dāng)電場(chǎng)施加在兩個(gè)電極上時(shí)，溶液中的陰離子和陽(yáng)離子分別遷移到正負(fù)電極上，在電極表面形成電雙層。電場(chǎng)消除后，電極上的正負(fù)電荷會(huì)吸引溶液中帶相反電荷的離子來(lái)穩(wěn)定電雙層，使正負(fù)電極之間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。

此時(shí)，對(duì)于某一個(gè)電極，在一定距離內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于電極上電荷的各向異性離子電荷（分散層），從而保持電中性。當(dāng)兩極連接到外部電路時(shí)，電極上的電荷遷移，在外部電路中產(chǎn)生電流，而溶液中的離子遷移到溶液中，成為電中性。這就是雙電層電容器的充放電原理。

● 法拉第準(zhǔn)電容： 作為一種超級(jí)電容器，其理論模型是由康威首先提出的。它是電活性物質(zhì)在電極表面和近表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間的欠電位沉積，并發(fā)生高度可逆的化學(xué)解吸和REDOX反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。

對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容器，儲(chǔ)存電荷的過(guò)程不僅包括在電雙層上的儲(chǔ)存，還包括電解質(zhì)離子和電極活性材料之間的氧化還原反應(yīng)。

 

 

當(dāng)電解液中的離子（如H+、OH-、K+或Li+）在外電場(chǎng)的作用下從溶液中擴(kuò)散到電極或溶液界面時(shí)，會(huì)通過(guò)界面上的REDOX反應(yīng)進(jìn)入電極表面的活性氧化物的體相中，從而在電極中儲(chǔ)存大量的電荷。

放電時(shí)，這些進(jìn)入氧化物的離子將通過(guò)上述REDOX反應(yīng)的逆反應(yīng)回到電解液中，同時(shí)，儲(chǔ)存的電荷將通過(guò)外部電路釋放出來(lái)，這就是法拉第準(zhǔn)電容器的充放電機(jī)制。

 

超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)

● 在很小的體積內(nèi)就可以達(dá)到法拉第級(jí)別的電容；
● 不需要專門的充電電路和控制放電電路；
●與電池相比，過(guò)度充電和過(guò)度放電不會(huì)對(duì)其壽命產(chǎn)生不利影響；
●從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，它是一種綠色能源；
●超級(jí)電容器可以焊接，所以不存在像電池那樣的弱接觸問(wèn)題。

 

超級(jí)電容器的劣勢(shì)

● 使用不當(dāng)可能造成電解液泄漏等現(xiàn)象；

● 與鋁電解電容相比，其內(nèi)阻較大，所以不能用于交流電路。

 

超級(jí)電容器被稱為 “超 “的原因

超級(jí)電容器可以被看作是兩個(gè)懸浮在電解質(zhì)中的非活性多孔電極板。當(dāng)電源施加到板上時(shí)，陰極板吸引電解質(zhì)中的陽(yáng)極離子，而陽(yáng)極板吸引陰極離子，這實(shí)際上形成了兩個(gè)電容性存儲(chǔ)層。分離的陰極離子在負(fù)極板附近，陽(yáng)極離子在陰極板附近。可以看成是兩個(gè)懸浮在電解質(zhì)中的非活性多孔電極板。

當(dāng)電源加到板上時(shí)，陰極板吸引電解液中的陽(yáng)極離子，而陽(yáng)極板吸引陰極離子，這實(shí)際上形成了兩個(gè)電容性存儲(chǔ)層。分離的陰極離子靠近陽(yáng)極板，而陽(yáng)極離子靠近陰極板。超級(jí)電容器在分離的電荷中儲(chǔ)存能量，用于儲(chǔ)存電荷的面積越大，分離的電荷越密集，電容就越大。

與超級(jí)電容器相比，傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平面面積。為了獲得更大的容量，導(dǎo)體材料要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的軋制，有時(shí)還要使用特殊結(jié)構(gòu)來(lái)增加其表面積。在傳統(tǒng)的電容器中，絕緣材料被用來(lái)分離它的兩個(gè)極板，一般是塑料薄膜、紙張等。這些材料通常要求盡可能的薄。

 

 

超級(jí)電容器的面積以多孔碳材料為基礎(chǔ)，其多孔結(jié)構(gòu)使其面積達(dá)到2000平方米/克，有些措施使其表面積更大。超級(jí)電容器電荷分離的距離是由吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子的大小決定的。這個(gè)距離（<10埃）比傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的要小。

巨大的表面積與極小的電荷分離距離相結(jié)合，使得超級(jí)電容器與傳統(tǒng)的電容器相比具有驚人的靜電容量，這也是其 “超”。

 

控制超級(jí)電容器的放電

超級(jí)電容器的電阻使其不能快速放電。超級(jí)電容器的時(shí)間常數(shù)τ在1至2s之間。對(duì)于電阻性和電容性電路來(lái)說(shuō)，完全放電大約需要5τ，這意味著短路放電大約需要5到10s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)，它們實(shí)際上需要幾個(gè)小時(shí)才能完全釋放剩余的電荷）。

超級(jí)電容器可以快速充電和放電，峰值電流只受其內(nèi)部電阻的限制，即使是短路也不致命。事實(shí)上，這取決于電容器單元的大小。對(duì)于匹配的負(fù)載，小單元可以放10A，大單元可以放1000A。另一個(gè)限制放電率的條件是熱量。反復(fù)以激進(jìn)的速率放電會(huì)增加電容器的溫度，最終導(dǎo)致開(kāi)路。