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超级电容器的原理及应用

电容 | 发布时间:2017-06-26 | 人气: | #评论# |本文关键字:电容器
摘要:超级电容器(Supercapacitors,ultracapacitor),又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors),双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容,是从上世纪七、八十年代发展起来的
摘要:超级电容器属于储能装置的一种升级版,其凭借着自身使用寿命长、功率密度高、充电迅速、使用温度宽等优点而被广泛应用。目前在电动汽车、内燃机车、城轨等大型动力机车都有应用要求,笔者就超级电容器的原理及应用为主要研究对象,探析了超级电容器的分类、原理、特点及应用。
关键字:超级电容器 赝电容器原理 特点及应用
 
 
超级电容器的发展始于上个世纪70年代-80年代,其为一种介于传统电容器与电池间的新型储能器件。相对于传统电容器,超级电容器具备电容量大(为2000-6000倍同体积电解电容器)、功率密度高(为10-100倍电池)、充放电电流量大、充放电循环次数高(大于105次)、充放电效率高、免维修等优点。在本案,笔者以超级电容器为研究对象,探析其原理、应用领域及应用效果。
 
一、超级电容器分类
就电极而言,超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。
就电能机理而言,超级电容器可划分为双电层电容器(电容产生机理为以电解液及电极上的电荷分离为基础双电层电容)、法拉第准电容(组成成分为贵金属氧化物及贵金属电极;电容产生机理为以电活性离子于贵金属电极表面欠电位沉积现象或于贵金属氧化物电极体相及表面因氧化还原反应为依据的吸附电容。与双电层电容相比较,吸附电容完全不相同,此外,吸附电容的比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。
就超级电容器电极上的反应情况及结构而言,超级电容器可划分为非对称型及对称型。对称型超级电容器即为两个电极反应相同、组成相同、反应方向相反,例如贵金属氧化物、碳电极双电层电容器等。非对称型超级电容器即为两个电极反应不同、电极组成不同。
超级电容器最大可用电压取决于电解质分解电压。电解质可为强碱或强酸等水溶液,亦可谓盐的质子惰性溶剂等有机溶液。通过水溶液体系,便可获取高比功率及高容量的最大可用电压;通过有机溶液体系,便可获取高电压,从而获取高比能量。
 
二、超级电容器的原理
就存储电能的机理而言,超级电容器可分为赝电容器及双电层电容器。在本案,笔者就赝电容器及双电层电容器为研究对象,探析其原理。
(一)双电层电容器原理
双电层电容器属于一种新型元器件,其能量储存主要是通过电解质与电极间界面双层得以实现。若电解液与电极间相互接触,因分子间力、库伦力及原子间力作用力的存在,其势必会引起固液界面产生一个双层电荷,该电荷具备符号相反及稳定性强的特点。
双电层电容器电极材料以多孔碳材料为主,例如碳气凝胶,活性炭纤维、活性炭粉末等活性炭,碳纳米管。通常情况下,双电层电容器电极材料孔隙率影响着其容量大小,即电极材料比表面积随着孔隙率的增高而变大,双电层电容随着孔隙率的增高而变大。需要强调的一点是,孔隙率的增高与电容器的变大间无规律性可言,但电极材料孔径大小保持为2-50mm间,将有助于孔隙率的提高,从而实现材料有效比表面积的提高,并最终实现双电层电容的提高、
(二)赝电容器原理
赝电容即法拉第准电容,其主要是指于电极材料体相或表面准二维或二维空间内,通过欠电位沉积电活性物质,发生高度可逆的氧化或脱附、化学吸附、还原反应,从而产生一个电容,该电容与电极充电电位间存在一定关系。因一切反应均发生于整个体相内,则其产生的最大电容值相当大,例如吸附型准电容就高达2000*10-6F/cm2。就氧化还原型电容器,其产生的最大电容量更大。已经被公认了的碳材料比容值为20*10-6F/cm2,则就重量级体积相同条件下,赝电容器容量为10-100倍双电层电容器容量。现阶段,赝电容器电极材料以导电聚合物及金属氧化物为主。
金属氧化物超级电容器电极材料以过渡金属氧化物为主,例如V2O5、MnO2、IrO2、WO3、NiO、RuO2、Co3O4等。金属氧化物在超级电容器电极中的应用效果最佳,就H2SO4电解液内而言,金属氧化物比容能高达700-760F/g。但是,因RuO2资源稀有、价格昂贵,则其在超级电容器中的应用受到极大的限制。随着技术的发展及相关研究的深入,科研人员正在试图从NiO及MnO2等价格低廉的金属氧化物内提取出能够取代RuO2的电极材料。
近年来,超级电容器电极材料新增了导电聚合物。聚合物产品电子电导率极好其电子电导率不典型数值高度1-100S/cm。通过还原反应及电化学氧化反应于电子轭聚合物链上,导电聚合物引入负电荷及正电荷中心,电极电势决定了负电荷及正电荷中心充电程度。导电聚合物能量存储的途径以为法拉第过程。现阶段,能够于较高还原电位条件下高稳定低发生电化学n型掺杂的导电聚合物数量相当少,例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。
 
责任编辑:电气自动化网

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