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超級(jí)電容

超級(jí)電容,又名電化學(xué)電容,雙電層電容器、黃金電容、法拉電容,是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來(lái)的通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。

1 超級(jí)電容結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)上的具體細(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).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。

2 超級(jí)電容分類及工作原理

其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬,是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。

根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理的不同可以分為以下兩類:

1、雙電層電容:是在電極/溶液界面通過(guò)電子或離子的定向排列造成電荷的對(duì)峙而產(chǎn)生的。對(duì)一個(gè)電極/溶液體系,會(huì)在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)后,溶液中的陰、陽(yáng)離子分別向正、負(fù)電極遷移,在電極表面形成雙電層;撤消電場(chǎng)后,電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相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。這時(shí)對(duì)某一電極而言,會(huì)在一定距離內(nèi)(分散層)產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷,使其保持電中性;當(dāng)將兩極與外電路連通時(shí),電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流,溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性,這便是雙電層電容的充放電原理。

2、法拉第準(zhǔn)電容:其理論模型是由Conway首先提出,是在電極表面和近表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上,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)吸脫附和氧化還原反應(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,其儲(chǔ)存電荷的過(guò)程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ),而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場(chǎng)的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時(shí),會(huì)通過(guò)界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中,從而使得大量的電荷被存儲(chǔ)在電極中。放電時(shí),這些進(jìn)入氧化物中的離子又會(huì)通過(guò)以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中,同時(shí)所存儲(chǔ)的電荷通過(guò)外電路而釋放出來(lái),這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。

3 超級(jí)電容突出特點(diǎn)

(1)充電速度快,充電10秒~10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上;

(2)循環(huán)使用壽命長(zhǎng),深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1~50萬(wàn)次,沒(méi)有“記憶效應(yīng)”;

(3)大電流放電能力超強(qiáng),能量轉(zhuǎn)換效率高,過(guò)程損失小,大電流能量循環(huán)效率≥90%;

(4)功率密度高,可達(dá)300W/KG~5000W/KG,相當(dāng)于電池的5~10倍;

(5)產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染,是理想的綠色環(huán)保電源;

(6)充放電線路簡(jiǎn)單,無(wú)需充電電池那樣的充電電路,安全系數(shù)高,長(zhǎng)期使用免維護(hù);

(7)超低溫特性好,溫度范圍寬-40℃~+70℃;

(8)檢測(cè)方便,剩余電量可直接讀出;

(9)容量范圍通常0.1F--1000F 。

4 超級(jí)電容單位介紹

法拉(farad),簡(jiǎn)稱“法”,符號(hào)是F;

1法拉是電容存儲(chǔ)1庫(kù)侖電量時(shí),兩極板間電勢(shì)差是1伏特1F=1C/1V;

1庫(kù)侖是1A電流在1s內(nèi)輸運(yùn)的電量,即1C=1A·S;

1庫(kù)侖=1安培·秒;

1法拉=1安培·秒/伏特;

電瓶(蓄電池)12伏14安時(shí)的放電量=14*3600*1/12=4200 法拉(F),(注:12伏14安時(shí)電瓶是由2v14安時(shí)6塊串聯(lián)來(lái)的,如果改成6快并聯(lián),就等于2v84安時(shí),轉(zhuǎn)換為1v就是168安時(shí))。地球的電容值僅有1-2F左右。

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