超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)、特性和工作原理

超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)上的具體細(xì)節(jié)依賴于對(duì)超級(jí)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(jí)電容器的共性是，他們都包含一個(gè)正極，一個(gè)負(fù)極，及這兩個(gè)電極之間的隔膜，電解液填補(bǔ)由這兩個(gè)電極和隔膜分離出來(lái)的兩個(gè)的孔隙。超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示：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(jìn)行選擇。（1）：聚四氟乙烯載體；（2）（4）：活性物質(zhì)壓在泡沫鎳集電極上；（3）：聚丙烯電池隔膜。超級(jí)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(jí)電容器包裝的幾何結(jié)構(gòu)決定的。對(duì)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(duì)內(nèi)部部件的設(shè)置，即內(nèi)部集電極是從每個(gè)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(kuò)展電容器外的電流路徑。對(duì)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(kuò)展。超級(jí)電容的特性超級(jí)電容器使用過(guò)程中是沒(méi)有任何的化學(xué)反應(yīng)，也沒(méi)有高速旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)；對(duì)于環(huán)境沒(méi)有污染，也沒(méi)有任何的噪聲；它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，是非常理想的儲(chǔ)能設(shè)備。超級(jí)電容產(chǎn)品具有如下技術(shù)特性：（1）充電速度快。充滿其額定容量的95%以上僅需10秒～10分鐘；（2）循環(huán)壽命長(zhǎng)。深度充放電循環(huán)可達(dá)1～50萬(wàn)次，例如，北京合眾匯能公司生產(chǎn)的HCC250F/2.7V的超級(jí)電容器和北京集星科技公司生產(chǎn)的系列電容的循環(huán)壽命均在50萬(wàn)次以上；（3）能量轉(zhuǎn)換效率高。大電流能量循環(huán)效率》90%；（4）功率密度高?？蛇_(dá)300W/kg—50000W/kg，為蓄電池的5～10倍；（5）原材料生產(chǎn)、使用、存儲(chǔ)及拆解過(guò)程均無(wú)污染，是理想的綠色環(huán)保電源；安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)；（6）高充放電效率。由于內(nèi)阻很小，所以充放電損耗也很小，具有很高的充放電效率，可達(dá)90%以上。（7）溫度范圍寬。達(dá)-40～+70℃。超級(jí)電容器電極材料的反應(yīng)速率受溫度影響不大；（8）檢測(cè)控制方便。剩余電量可通過(guò)公式E=CV2/2直接算出，只需要檢測(cè)端電壓就可以確定所儲(chǔ)存的能量，荷電狀態(tài)（SOC）的計(jì)算簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，因此易于能量管理與控制。超級(jí)電容器工作原理超級(jí)電容器基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)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(guò)電子或離子的定向排列造成電荷的對(duì)峙而產(chǎn)生的。對(duì)一個(gè)電極/溶液體系，會(huì)在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)后，溶液中的陰、陽(yáng)離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場(chǎng)后，電極上的正負(fù)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(fù)極間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。這時(shí)對(duì)某一電極而言，會(huì)在一定距離內(nèi)（分散層）產(chǎn)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(dāng)將兩極與外電路連通時(shí)，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過(guò)程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子（如H+、OH-、K+或Li+）在外加電場(chǎng)的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時(shí)，會(huì)通過(guò)界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的