超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)和工作原理超級(jí)電容器又稱雙電層電容器、黃金電容、法拉第電容，是一種新型的儲(chǔ)能原件，它兼有物理電容器和電池的特性，能提供比物理電容器更高的能量密度，比電池具有更高的功率密度和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，并且這種電容器己在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用。如在考慮到環(huán)保需要而設(shè)計(jì)開發(fā)的電動(dòng)汽車和復(fù)合電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中，若單獨(dú)使用電池將無(wú)法滿足動(dòng)力系統(tǒng)的要求，然而將高功率密度電化學(xué)電容器與高能量密度電池并聯(lián)組成的混合電源系統(tǒng)既滿足了高功率密度的需要，又滿足了高能量回收的需要。高能量密度、高功率密度的電化學(xué)電容器正在成為人們研究的熱點(diǎn)。1.超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)上的具

2、體細(xì)節(jié)依賴于對(duì)超級(jí)電容器的應(yīng)用和使用。由于制造商或特定的應(yīng)用需求，這些材料可能略有不同。所有超級(jí)電容器的共性是，他們都包含一個(gè)正極，一個(gè)負(fù)極，及這兩個(gè)電極之間的隔膜，電解液填補(bǔ)由這兩個(gè)電極和隔膜分離出來(lái)的兩個(gè)的孔隙。超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)如圖1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(yīng)滿足具有盡可能高的離子電導(dǎo)和盡可能低的電子電導(dǎo)的條件，一般為纖維結(jié)構(gòu)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(jìn)行選擇。圖1 超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)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

3、極上；（3）：聚丙烯電池隔膜。超級(jí)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(jí)電容器包裝的幾何結(jié)構(gòu)決定的。對(duì)于棱形或正方形封裝產(chǎn)品部件的擺放，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基于對(duì)內(nèi)部部件的設(shè)置，即內(nèi)部集電極是從每個(gè)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(kuò)展電容器外的電流路徑。對(duì)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(kuò)展。圖1.2超級(jí)電容器電極2.超級(jí)電容器的工作原理由于儲(chǔ)能機(jī)理的不同，人們將超級(jí)電容器分為：(1)基于高比表面積電極材料與溶液?jiǎn)柦缑骐p電層原理的雙電層電容器；(2)基于電化學(xué)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

4、層電容的形成機(jī)理不同，但并不相互排斥。大比表面積準(zhǔn)電容電極的充放電過程會(huì)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(shí)際的電化學(xué)電容通常是兩者共存的宏觀體現(xiàn)，要確認(rèn)的只是何者占主要的問題。實(shí)踐過程中，人們?yōu)榱诉_(dá)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(xué)電容器?；旌想娀瘜W(xué)電容器可分為兩類，一類是電容器的一個(gè)電極采用贗電容電極材料，另一個(gè)電極采用雙電層電容電極材料，制成不對(duì)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(fù)合電極，制

5、備對(duì)稱電容器。（1）雙電層電容器一對(duì)浸在電解質(zhì)溶液中的固體電極在外加電場(chǎng)的作用下，在電極表面與電解質(zhì)接觸的界面電荷會(huì)重新分布、排列。作為補(bǔ)償，帶正電的正電極吸引電解液中的負(fù)離子，負(fù)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(gè)相反電荷層構(gòu)成，這兩個(gè)相對(duì)的電荷層就像平板電容器的兩個(gè)平板一樣。Helmholtz首次提出此模型。如圖2所示。能量是以電荷的形式存儲(chǔ)在電極材料的界面。充電時(shí)，電子通過外加電源從正極流向負(fù)極，同時(shí)，正負(fù)離子從溶液體相中分離并分別移動(dòng)到電極表面，形成雙電層；充電結(jié)束后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相

6、反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。在放電時(shí)，電子通過負(fù)載從負(fù)極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負(fù)離子從電極表面被釋放進(jìn)入溶液體相呈電中性。圖2 雙層電容器工作原理對(duì)于一個(gè)對(duì)稱的電容器(相同的電極材料)，電容值為：C1和C2分別為兩個(gè)電極的電容值。單電極的電容計(jì)算公式：其中：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(jì)算得到(R為等效電阻)：根據(jù)以上兩個(gè)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(zhǔn)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

7、質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。這種電極系統(tǒng)的電壓隨電荷轉(zhuǎn)移的量呈線性變化，表現(xiàn)出電容特征，故稱為“準(zhǔn)電容”，是作為雙電層型電容器的一種補(bǔ)充形式。法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理為：電解液中的離子( 一般為H+或OH-)在外加電場(chǎng)的作用下向溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(huì)有相當(dāng)多的這樣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，大量的電荷就被存儲(chǔ)在電極中。放電時(shí)這些進(jìn)入氧化物中的離子又會(huì)重新回到電解液中，同時(shí)所存儲(chǔ)的電荷通過外電路釋放出來(lái)。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(wú)數(shù)微等效電容電路的網(wǎng)絡(luò)形式形成的，其電容量直接與電極中的法拉第電量有關(guān)，所以法拉第贗電容器的比電容是雙電層電容器的10100倍，目前對(duì)法拉第贗電容的研究工作成為一個(gè)重點(diǎn)開展的方向。參考文獻(xiàn)1 張治安，鄧梅根，胡永達(dá)等電化學(xué)電容器的特點(diǎn)及應(yīng)用J電子元件與材料，2003，22(