什么是超級電容？與普通電容有什么區(qū)別？

超級電容，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)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。

它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。

超級電容器結(jié)構(gòu)上的具體細(xì)節(jié)依賴于對超級電容器的應(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。所有超級電容器的共性是，他們都包含一個正極，一個負(fù)極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補(bǔ)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(jié)構(gòu)如圖所示，是由高比表面積的多孔化電極材料、多孔性電池隔膜及電解液組成。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。

根據(jù)儲能機(jī)理的不同可以分為以下兩類：

1、雙電層電容：是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產(chǎn)生的。對一個電極/溶液體系，會在電子導(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)在兩個電極上施加電場后，溶液中的陰、陽離子分別向正、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)生相對穩(wěn)定的電位差。

這時對某一電極而言，會在一定距離內(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，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。

對于法拉第準(zhǔn)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(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+)在外加電場的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時，會通過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在電極中。

放電時，這些進(jìn)入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。

超級電容的優(yōu)點(diǎn)：

1、很小的體積下達(dá)到法拉級的電容量；

2、無須特別的充電電路和控制放電電路；

3、和電池相比過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負(fù)面影響；

4、從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；

5、超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題；

超級電容的缺點(diǎn)：

1、如果使用不當(dāng)會造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；

2、和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路；

超級電容器之所以稱之為“超級”的原因：

1、超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。

2、超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。

3、傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。

4、超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)構(gòu)允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10 ?）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。

5、龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。

控制超級電容器的放電：

超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數(shù)τ在12s，完全給阻-容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要510s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實際上得花上數(shù)個小時才能將殘留的電荷完全放干凈）。

放電的控制時間：

超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實際上決定于電容器單體大小，對于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。





審核編輯：劉清