超級電容器簡介

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1、高等物理化學(xué)電子課件蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院超級電容器簡介超級電容器Supercapacitor是介于電容器和電池之間的儲能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電池的儲能特性。超級電容（supercapacitor），又叫雙電層電容(ElectricalDoule-Layer）、即通過外加電場極化電解質(zhì)，使電解質(zhì)中荷電離子分別在帶有相反電荷的電極表面形成雙電層，從而實現(xiàn)儲能。其儲能過程是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，且過程完全可逆，這與蓄電池電化學(xué)儲能過程不同。一、超級電容器的基本原理根據(jù)存儲

2、電荷的機理,超級電容器分為雙電層電容器(ElectricalDoubleLayerCapacitor,EDLC)和準電容器(Pseudocapacitor贗電容器)。雙電層電容器利用電極材料和電解質(zhì)界面形成的電荷分離存儲電荷,而贗電容器是利用電化學(xué)活性物質(zhì)的二維或準二維空間發(fā)生的吸脫附或電化學(xué)氧化還原反應(yīng)來存儲電荷,從而,贗電容可以分為吸附贗電容和氧化還原贗電容(Faradicsupercapacitor)。雙電層電容器的儲能機理本質(zhì)上與靜電容器一致,其依靠材料表面電子和溶液中等量離子在電極材料/電

3、解液界面的分離儲存電量。通常電極材料采用高比表面積炭材料,具有較高的比表面積(高達2000m2/g),遠大于電解電容器電極的比表面積,雙電層電極、溶液界面結(jié)構(gòu)示意圖Struturediagramoftheinterfacebetweenelectrodeandelectrolyte雙電層原理示意圖充電時,外電源使電容器正負極分別帶正電和負電,而電解液中的正負離子分別移動到電極表面附近,形成雙電層,整個雙電層電容器實際上是兩個單雙電層電容器的串聯(lián)裝置。雙電層電容器充電狀態(tài)電位分布曲線Profileof

4、thepotentialacrosselectrochemicaldoublelayercapacitorinthechargedcondition雙電層電容器放電狀態(tài)電位分布曲線Prifileofthepotentialacrossanelectrochemicaldouble-layercapacitorinthedischargedcondition法拉第準(贗)電容原理則是利用在電極表面及其附近發(fā)生在一定電位范圍內(nèi)發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)來實現(xiàn)能量存儲。這種法拉第反應(yīng)與二

5、次電池的氧化還原反應(yīng)不同。此時的放電和再充電行為更接近于電容器而不是原電池,如:（1）電壓與電極上施加或釋放的電荷幾乎成線性關(guān)系;（2）設(shè)該系統(tǒng)電壓隨時間呈線性變化dV/dt=K,則產(chǎn)生的電流為恒定或幾乎恒定的容性充電電流I=CdV/dt=CK。此時系統(tǒng)的充放電過程是動力學(xué)高度可逆的,與原電池及蓄電池不同,但與靜電電容類似。為與雙電層電容及電極與電解液界面形成的真正的靜電電容相區(qū)別，稱這樣得到的電容為法拉第準(贗)電容。法拉第準(贗)電容不僅只在電極表面,而且可在整個電極內(nèi)部產(chǎn)生,因而可獲得比雙電層

6、電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積的情況下,法拉第準(贗)電容可以是雙電層電容量的10～100倍。贗電容根據(jù)電極反應(yīng)的不同,分為吸附電容和氧化還原贗電容吸附贗電容是指電化學(xué)活性物質(zhì)在基底電極上發(fā)生二維/準二維的電化學(xué)吸脫附,表現(xiàn)出電容性質(zhì)。如H+在Pt電極表面的吸脫附反應(yīng)氧化還原贗電容即法拉第贗電容是指活性電極材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)表現(xiàn)出來的電容特性,主要包括過渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。雙電層電容器存儲的電荷與它的電容和電壓相關(guān)Q=CV，電容和電壓是獨立的，但取決于電極的表面積，雙電層的厚度和

7、電解液的介質(zhì)常數(shù)。根據(jù)雙電層電容器所需設(shè)備的性能或是使用的電解液選擇電極材料?；钚蕴渴请p電層電容器傳統(tǒng)的電極材料法拉第贗電容來源于電極-電解液界面快速可逆的氧化還原反應(yīng)一方面要求法拉第反應(yīng)有足夠的活性位點；另一方面要求有足夠多的電解質(zhì)離子和電子參與法拉第反應(yīng)。對于第一方面的要求，具有高比表面積的贗電容電極材料通過尺寸納米化或表面造孔將滿足要求；對于后者，通過制備更多層次具有良好電導(dǎo)率以及孔隙率的電極材料從而使電解質(zhì)離子能夠擴散和接觸更多的電化學(xué)位點。法拉第贗電容電極材料主要包括過渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚

8、合物因此,制備高性能的超級電容器有2個途徑:一是增大電極材料比表面積,從而增大雙電層電容量;二是提高電極材料的可逆法拉第反應(yīng)的機率,從而提高準電容容量。但實際上對一種電極材料而言,這2種儲能機理往往同時存在,只不過是以何者為主而已超級電超級電容器的大容量和高功率充放電就是由這兩種原理產(chǎn)生的。充電時,依靠這兩種原理儲存電荷,實現(xiàn)能量的積累;放電時,實現(xiàn)能量的釋放。二、超級電容器的基本分類超級電容儲能機制可分為：雙電層電容--電極表面與電解液間雙電層儲能。準電容--電極表