超级电容器基本原理与特性

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：为了定义超级电容器并归纳其特性和基本参数，图9-1给出了它的基本运行原理。目前使用的电解质可以提供2.5～3V的端电压。超级电容器的容值可从几法拉到千法拉，容值计算的依据是超级电容器的基本原理，即Helmholtz在1879年发明的双电层结构，如图9-2所示。电解质的作用是确保内部离子向电极的迁移率。由式（9-1）可知，双电层电容器的容值是与d成反比的，这也进一步增大了其电容值。

为了定义超级电容器并归纳其特性和基本参数，图9-1给出了它的基本运行原理。

图9-1 超级电容器的运行原理

超级电容器由两个电极组成，它们通过浸泡在电解液中的隔膜分开。

这两个电极由多孔材料在金属薄膜上沉积而成，金属薄膜通常采用铝，而炭（活性炭）则是常用的多孔材料。充电时，电荷存储于多孔材料和电解质之间的界面上。而活性炭的使用，为电荷的存储提供了一个非常大的活性表面，并具有良好的电导性。

电解质的作用是确保内部离子向电极的迁移率。阴离子应能自由地向正极迁移，同样，阳离子也应能自由地向负极迁移。电解质可以是固态的，但大多采用液态。电解质的选择往往是电容器单体电压和离子导电性之间妥协的结果，追求离子导电性的最大化可能会导致所选择的电解质分解电压低至1V。由于氧化还原反应会在充放电阶段导致不可逆反应，必须对超级电容器的工作电压进行限制（2.5～3V）。

隔膜通常是一片纸，起绝缘作用，可以防止电极之间的任何导电接触。但是，它必须能够浸泡在电解质中，并且不影响电解质的离子导电性。

影响超级电容器能量密度的两个主要参数是允许的最大端电压与电容值。

正如之前介绍的，超级电容器的最大端电压与所选用的电解质有关。目前使用的电解质可以提供2.5～3V的端电压。如果端电压为3V时离子导电性受到影响，则需要相应地降低电压。

超级电容器的容值可从几法拉到千法拉，容值计算的依据是超级电容器的基本原理，即Helmholtz在1879年发明的双电层结构，如图9-2所示。

图9-2 双电层电容器

充电时，电解质中的阴离子受到吸引向正极移动，阳离子向负极移动，并在每个电极和电解质之间的界面上形成了双电层。也就是说，不同电层的电荷累积过程是各不相同的：正电荷与阴离子附着在正电极，负电荷与阳离子附着在负电极。这两个电层产生了如下式所示的容值：

式中，C_dc是一个双电层（正极侧或者负极侧）的电容值；ε是介电常数；A是电极的有效表面积；d是类似于传统电容的两极板间的等效距离^[2]。

能说明超级电容器储能技术如此巨大电容值的首要因素，就是电极中采用了多孔活性炭材料，它使得电极的有效表面积A大大增加，能够提供可观的电荷存储能力（3000m²/g）。反之，等效距离d是由附着在正极的阴离子尺寸以及附着在负极的阳离子尺寸决定的。一般情况下，d介于2×10^-10m与10×10^-10m之间。由式（9-1）可知，双电层电容器的容值是与d成反比的，这也进一步增大了其电容值。

因此，我们可以把超级电容器看成两个串联的电容器，而这两个电容器分别代表了两个电极上的电层。其等效电容值与两个电极的有效表面积（由于采用了多孔材料的而得到增加）以及阴、阳离子的尺寸有关，可高达千法拉级。最后，我们必须记住，超级电容器的最大允许电压是由所选用的电解质决定的，一般为2～3V。

超级电容器基本原理与特性

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