超級電容的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、超級電容的結(jié)構(gòu)和工作原理1、超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器結(jié)構(gòu)上的具體細節(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(jié)構(gòu)如圖1 所示、是由高比表面積的多孔電極材料、集流體、多孔性電池隔 膜及電解液組成。電極材料與集流體之間要緊密相連，以減小接 觸電阻；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)進行選擇。圖1超級電容器的基

2、 本結(jié)構(gòu)上圖中各部分為：（1）：聚四氟乙烯載體；（2） （4）： 活性物質(zhì)壓在泡沫鎮(zhèn)集電極上；（3）：聚丙烯電池隔膜。超級電 容器的部件從產(chǎn)品到產(chǎn)品可以有所不同。這是由超級電容器包裝 的幾何結(jié)構(gòu)決定的。對于棱形或正方形封裝產(chǎn)品部件的擺放，內(nèi) 部結(jié)構(gòu)是基于對內(nèi)部部件的設(shè)置，即內(nèi)部集電極是從每個電極的 堆疊中擠出。這些集電極焊盤將被焊接到終端，從而擴展電容器 外的電流路徑。對于圓形或圓柱形封裝的產(chǎn)品，電極切割成卷軸 方式配置。最后將電極箔焊接到終端，使外部的電容電流路徑擴 展。圖1、2超級電容器電極2、超級電容器的工作原理由于儲能機理的不同，人們將超級 電容器分為：（1）基于高比表面積電極材料與溶

3、液問界面雙電層原 理的雙電層電容器；（2）基于電化學(xué)欠電位沉積或氧化還原法拉第 過程的震電容器。震電容與雙電層電容的形成機理不同，但并不 相互排斥。大比表面積準電容電極的充放電過程會形成雙電層電 容，雙電層電容電極（如多孔炭）的充放電過程往往伴隨有震電容 氧化還原過程發(fā)生，實際的電化學(xué)電容通常是兩者共存的宏觀體 現(xiàn)，要確認的只是何者占主要的問題。實踐過程中，人們?yōu)榱诉_ 到提高電容器的性能，降低成本的目的，經(jīng)常將震電容電極材料 和雙電層電容電極材料混合使用，制成所謂的混合電化學(xué)電容 器?；旌想娀瘜W(xué)電容器可分為兩類，一類是電容器的一個電極采 用震電容電極材料，另一個電極采用雙電層電容電極材料，制成

4、 不對稱電容器，這樣可以拓寬電容器的使用電壓范圍，提高能量 密度；另一類是震電容電極材料和雙電層電容電極材料混合組成 復(fù)合電極，制備對稱電容器。（1）雙電層電容器一對浸在電解質(zhì) 溶液中的固體電極在外加電場的作用下，在電極表面與電解質(zhì)接 觸的界面電荷會重新分布、排列。作為補償，帶正電的正電極吸 引電解液中的負離子，負極吸引電解液中的正離子，從而在電極 表面形成緊密的雙電層，由此產(chǎn)塵的電容稱為雙電層電容。雙電 層是由相距為原子尺寸的微小距離的兩個相反電荷層構(gòu)成，這兩 個相對的電荷層就像平板電容器的兩個平板一樣。Helmholtz首次 提出此模型。如圖2所示。能量是以電荷的形式存儲在電極材料 的界面

5、。充電時，電子通過外加電源從正極流向負極，同時，正 負離子從溶液體相中分離并分別移動到電極表面，形成雙電層； 充電結(jié)束后，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(wěn)定，在正負極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。在放電 時，電子通過負載從負極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負 離子從電極表面被釋放進入溶液體相呈電中性。圖2雙層電容器 工作原理對于一個對稱的電容器（相同的電極材料），電容值為： C1和C2分別為兩個電極的電容值。單電極的電容計算公式：其 中：£為雙電層中的介電常數(shù)，A為電極的表面積，t是雙電層的 厚度。雙電層的能量及功率密度可通過下式分別計算得到（R為等 效電阻）：

6、根據(jù)以上兩個公式可知：電容器工作電壓的增大可以顯 著地提高功率密度和能量密度。（2）法拉第震電容器法拉第鷹電容 器也叫法拉第準電容，是在電極表面活體相中的二維或三維空間 上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧 化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。這種電極系統(tǒng)的 電壓隨電荷轉(zhuǎn)移的量呈線性變化，表現(xiàn)出電容特征，故稱為“準 電容”，是作為雙電層型電容器的一種補充形式。法拉第準電容 的充放電機理為：電解液中的離子（一般為H+或011-）在外加電場 的作用下向溶液中擴散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學(xué) 反應(yīng)進入到電極表面活性氧化物的體相中；若電極材料是具有較 大比表面積的氧化物，就會有相當(dāng)多的這樣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生， 大量的電荷就被存儲在電極中。放電時這些進入氧化物中的離子 又會重新回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路釋放出 來。在電極的比表面積相同的情況下，由于法拉第震電容器的電 容在電極中是由無數(shù)微等效電容電路的網(wǎng)絡(luò)形式形成的，其電容 量直接與電極中的法拉第電量有關(guān)，所