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超級電容器的原理——時恒電子

發(fā)布時間:2017/3/6    訪問人數(shù):1083次
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一、超級電容器的原理

  超級電容也稱電化學(xué)電容,與傳統(tǒng)靜電電容器不同,主要表現(xiàn)在儲存能量的多少上。作為能量的儲存或輸出裝置,其儲能的多少表現(xiàn)為電容量的大小。根據(jù)超級電容器儲能的機(jī)理,其原理可分為:

  1.在電極P 溶液界面通過電子和離子或偶極子的定向排列所產(chǎn)生的雙電層電容器。

  雙電層理論由19 世紀(jì)末H elm h otz 等提出。關(guān)于雙電層的代表理論和模型有好幾種,其中以H elm h otz 模型最為簡單且能夠充分說明雙電層電容器的工作原理。該模型認(rèn)為金屬表面上的靜電荷將從溶液中吸收部分不規(guī)則的分配離子,使它們在電極P 溶液界面的溶液一側(cè),離電極一定距離排成一排,形成一個電荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號相反的界面層。于是,在電極上和溶液中就形成了兩個電荷層,這就是我們通常所講的雙電層。雙電層有儲存電能量的作用,電容器的容量可以利用以下公式來計(jì)算:

  

  式中,E為電容器的儲能大??;C為電容器的電容量;V 為電容器的工作電壓。由此可見,雙電層電容器的容量與電極電勢和材料本身的屬性有關(guān)。通常為了形成穩(wěn)定的雙電層,一般采用導(dǎo)電性能良好的極化電極。

  2.在電極表面或體相中的二維與準(zhǔn)二維空間,電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積,發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附、脫附或氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的法拉第準(zhǔn)電容器。

  在電活性物質(zhì)中,隨著存在于法拉第電荷傳遞化學(xué)變化的電化學(xué)過程的進(jìn)行,極化電極上發(fā)生欠電位沉積或發(fā)生氧化還原反應(yīng),充放電行為類似于電容器,而不同于二次電池,不同之處為:

 ?。?)極化電極上的電壓與電量幾乎呈線性關(guān)系;

  (2)當(dāng)電壓與時間成線性關(guān)系d V/d t=K時,電容器的充放電電流為一恒定值I=Cd V/d t=CK.此過程為動力學(xué)可逆過程,與二次電池不同但與靜電類似。法拉第電容和雙電層電容的區(qū)別在于:雙電層電容在充電過程中需要消耗電解液,而法拉第電容在整個充放電過程中電解液的濃度保持相對穩(wěn)定。

  法拉第準(zhǔn)電容不僅在電極表面產(chǎn)生,而且還可以在電極內(nèi)部產(chǎn)生,其最大充放電能力由電活性物質(zhì)表面的離子取向和電荷轉(zhuǎn)移速度控制,因此可以在短時間內(nèi)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移,即可以獲得更高的比功率(比功率大于500W /kg )。

  二、超級電容器的特點(diǎn)

  超級電容器具有優(yōu)良的脈沖充放電和大容量儲能性能,單體容量已經(jīng)達(dá)到萬法拉級是一種介于靜電電容器與電池之間的儲能元件。與普通電容器和電池相比,超級電容器具有許多電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

  1.具有極高的功率密度。電容器的功率密度為電池的10~100倍,可達(dá)到10kW /kg 左右,可以在短時間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個特點(diǎn)使得超級電容器非常適合用于短時間高功率輸出的場合。

  2.充電速度快。超級電容器充電是雙電層充放電的物理過程或是電極物質(zhì)表面的快速、可逆的化學(xué)過程,可采用大電流充電,能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程,是真正意義上的快速充電。

  而蓄電池則需要數(shù)小時完成充電,采用快速充電也需要幾十分鐘。

  3.使用壽命長。超級電容器充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)都具有良好的可逆性,不易出現(xiàn)類似電池中活性物質(zhì)那樣的晶型轉(zhuǎn)變、脫落、枝晶穿透隔膜等一系列的壽命終止現(xiàn)象,碳極電容器理論循環(huán)壽命為無窮大, 實(shí)際可達(dá)100000 次以上,比電池高10 ~100倍。

  4.低溫性能優(yōu)越。超級電容充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行,所以容量隨溫度衰減非常小。電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達(dá)70% 。