超级电容器的工作原理.docx
超级电容器的工作原理根据存储电能的机理不同，超级电容器可分为双电层电容器(EleCtriCdoublelayercapacitor,EDLC)和电容器(PeSUdOCaPaCitor)。2.1 双电层电容器原理双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件，当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，称为界面双层。双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料，有活性炭(活性炭粉末、活性炭纤维)、碳气凝胶、碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙率有关。通常，孔隙率越高，电极材料的比表面积越大，双电层电容也越大。但不是孔隙率越高，电容器的容量越大。保持电极材料孔径大小在2,50nm之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积，从而提高双电层电容。2.2 鹰电容器原理鹰电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于反应在整个体相中进行，因而这种体系可实现的最大电容值比较大，如吸附型准电容为2000×10-6Fcm2o对氧化还原型电容器而言，可实现的最大容量值则非常大9,而碳材料的比容通常被认为是20X10-6Fcm2,因而在相同的体积或重量的情况下，度电容器的容量是双电层电容器容量的IoJOO倍。目前陵电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。金属氧化物超级电容器所用的电极材料主要是一些过渡金属氧化物，如:MnO2、V205>2、Ni0、H3PMO12040、WO3、PbO2和Co304等10。金属氧化物作为超级电容器电RUO2、IrO极材料研究最为成功的是Ru02,在H2S04电解液中其比容能达到700,760F/go但.RuO2稀有的资源及高昂的价格限制了它的应用。研究人员希望能从Mn02及NiO等贱金属氧化物中找到电化学性能优越的电极材料以代替Ru02o用导电聚合物作为超级电容器的电极材料是近年来发展起来的。聚合物产品具有良好的电子电导率，其典型的数值为1,100Sc11o一般将共飘聚合物的电导性与掺杂半导体进行比较，采用术语“p掺杂”和“n掺杂”分别用于描述电化学氧化和还原的结果。导电聚合物借助于电化学氧化和还原反应在电子共辄聚合物链上引入正电荷和负电荷中心，正、负电荷中心的充电程度取决于电极电势9。导电聚合物也是通过法拉第过程大量存储能量。目前仅有有限的导电聚合物可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学n型掺杂,如聚乙块、聚毗咯、聚苯胺、聚睡吩等。现阶段的研究工作主要集中在寻找具有优良的掺杂性能的导电聚合物，提高聚合物电极的充放电性能、循环寿命和热稳定性等方面。超级电容器作为一种新型的储能元件，具有如下优点：(1)超高的容量。超级电容器的容量范围为0.1,6000F,比同体积的电解电容器容量大2000,6OOO倍。(2)功率密度高。超级电容器能提供瞬时的大电流，在短时间内电流可以达到几百到几千安培，其功率密度是电池的10,100倍，可达到IOXlO3W/kg左右。(3)充放电效率高，超长寿命。超级电容器的充放电过程通常不会对电极材料的结构产生影响，材料的使用寿命不受循环次数的影响，充放电循环次数在105以上。（4）放置时间长。长时间放置超级电容器的电压会下降，再次充电可以充到原来的电位，对超级电容器的容量性能无影响。（5）温度范围宽，达-40,÷70?<>超级电容器电极材料的反应速率受温度影响不大。（6）免维护，环境友善。超级电容器用的材料是安全、无毒的，而铅酸蓄电池、银镉蓄电池用的材料具有毒性。超级电容器的不足之处表现为能量密度偏低，漏电流较大，单体工作电压低。水系电解液超级电容器单体的工作电压只有1V左右，要通过多个电容器单体的串联才能得到较高的工作电压。而多单体电容器串联对电容器单体的一致性要求很高。非水系电解液超级电容器单体的工作电压高一点，可以达到3.5Vo但非水系电解液要求有高纯度、无水等很苛刻的条件。
