什麼是超級電容?

超級電容,又名電化學電容,雙電層電容器、黃金電容、法拉電容,是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。

1.超級電容結構

超級電容器結構上的具體細節依賴於對超級電容器的應用和使用。由於制造商或特定的應用需求,這些材料可能略有不同。所有超級電容器的共性是,他們都包含一個正極,一個負極,及這兩個電極之間的隔膜,電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。
超級電容器的結構.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;隔膜應滿足具有盡可能高的離子電導和盡可能低的電子電導的條件,一般為纖維結構的電子絕緣材料,如聚丙烯膜。電解液的類型根據電極材料的性質進行選擇。

2.超級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組成的雙電層結構獲得超大的容量。突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬,是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種。

根據儲能機理的不同可以分為以下兩類:

1、雙電層電容:是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產生的。對一個電極/溶液體系,會在電子導電的電極和離子導電的電解質溶液界面上形成雙電層。當在兩個電極上施加電場後,溶液中的陰、陽離子分別向正、負電極遷移,在電極表面形成雙電層;撤消電場後,電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩定,在正負極間產生相對穩定的電位差。這時對某一電極而言,會在一定距離內(分散層)產生與電極上的電荷等量的異性離子電荷,使其保持電中性;當將兩極與外電路連通時,電極上的電荷遷移而在外電路中產生電流,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二維空間上,電活性物質進行欠電位沉積,發生高度可逆的化學吸脫附和氧化還原反應,產生與電極充電電位有關的電容。對於法拉第準電容,其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲,而且包括電解液離子與電極活性物質發生的氧化還原反應。當電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場的作用下由溶液中擴散到電極/溶液界面時,會通過界面上的氧化還原反應而進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在電極中。放電時,這些進入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應的逆反應重新返回到電解液中,同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來,這就是法拉第準電容的充放電機理。

3.超級電容突出特點

(1)充電速度快,充電10秒~10分鐘可達到其額定容量的95百分比以上;

(2)循環使用壽命長,深度充放電循環使用次數可達1~50萬次,沒有“記憶效應”;

(3)大電流放電能力超強,能量轉換效率高,過程損失小,大電流能量循環效率≥90百分比;

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

(5)產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染,是理想的綠色環保電源;

(6)充放電線路簡單,無需充電電池那樣的充電電路,安全系數高,長期使用免維護;

(7)超低溫特性好,溫度范圍寬-40℃~+70℃;

(8)檢測方便,剩餘電量可直接讀出;

(9)容量范圍通常0.1F–1000F 。

4.超級電容單位介紹

法拉(farad),簡稱“法”,符號是F;

1法拉是電容存儲1庫侖電量時,兩極板間電勢差是1伏特1F=1C/1V;

1庫侖是1A電流在1s內輸運的電量,即1C=1A·S;

1庫侖=1安培·秒;

1法拉=1安培·秒/伏特;

電瓶(蓄電池)12伏14安時的放電量=14*3600*1/12=4200 法拉(F),(註:12伏14安時電瓶是由2v14安時6塊串聯來的,如果改成6快並聯,就等於2v84安時,轉換為1v就是168安時)。地球的電容值僅有1-2F左右。

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