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          超級電容器和傳統鋰電池有什么區別?

          153    2021-11-03 18:58:16   

          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。

          它不同于傳統的化學電源,是一種介于傳統電容器與電池之間、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生化學反應,這種儲能過程是可逆的,也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。

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          超級電容器結構上的具體細節依賴于對超級電容器的應用和使用。由于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。

          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后,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;撤消電場后,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。

          對于法拉第準電容,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。

          超級電容的優點:

          1、很小的體積下達到法拉級的電容量;

          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成負面影響;

          4、從環保的角度考慮,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:

          1、如果使用不當會造成電解質泄漏等現象;

          2、和鋁電解電容器相比,它內阻較大,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中的兩個無反應活性的多孔電極板,在極板上加電,正極板吸引電解質中的負離子,負極板吸引正離子,實際上形成兩個容性存儲層,被分離開的正離子在負極板附近,負離子在正極板附近。

          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、傳統電容器的面積是導體的平板面積,為了獲得較大的容量,導體材料卷制得很長,有時用特殊的組織結構來增加它的表面積。傳統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,該材料的多孔結構允許其面積達到2000m2/g,通過一些措施可實現更大的表面積。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離子尺寸決定的。該距離(<10 ?)和傳統電容器薄膜材料所能實現的距離更小。

          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τ在1~2s,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5~10s(由于電極的特殊結構它們實際上得花上數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,反復地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高,最終導致斷路。


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