超级电容器简介

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1、高等物理化学电子课件兰州理工大学石油化工学院超级电容器简介超级电容器Supercapacitor是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。超级电容（supercapacitor），又叫双电层电容(ElectricalDoule-Layer）、即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。其储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。一、超级电容器的基本原理根据存储

2、电荷的机理,超级电容器分为双电层电容器(ElectricalDoubleLayerCapacitor,EDLC)和准电容器(Pseudocapacitor赝电容器)。双电层电容器利用电极材料和电解质界面形成的电荷分离存储电荷,而赝电容器是利用电化学活性物质的二维或准二维空间发生的吸脱附或电化学氧化还原反应来存储电荷,从而,赝电容可以分为吸附赝电容和氧化还原赝电容(Faradicsupercapacitor)。双电层电容器的储能机理本质上与静电容器一致,其依靠材料表面电子和溶液中等量离子在电极材料/电

3、解液界面的分离储存电量。通常电极材料采用高比表面积炭材料,具有较高的比表面积(高达2000m2/g),远大于电解电容器电极的比表面积,双电层电极、溶液界面结构示意图Struturediagramoftheinterfacebetweenelectrodeandelectrolyte双电层原理示意图充电时,外电源使电容器正负极分别带正电和负电,而电解液中的正负离子分别移动到电极表面附近,形成双电层,整个双电层电容器实际上是两个单双电层电容器的串联装置。双电层电容器充电状态电位分布曲线Profileof

4、thepotentialacrosselectrochemicaldoublelayercapacitorinthechargedcondition双电层电容器放电状态电位分布曲线Prifileofthepotentialacrossanelectrochemicaldouble-layercapacitorinthedischargedcondition法拉第准(赝)电容原理则是利用在电极表面及其附近发生在一定电位范围内发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应来实现能量存储。这种法拉第反应与二

5、次电池的氧化还原反应不同。此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是原电池,如:（1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线性关系;（2）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K,则产生的电流为恒定或几乎恒定的容性充电电流I=CdV/dt=CK。此时系统的充放电过程是动力学高度可逆的,与原电池及蓄电池不同,但与静电电容类似。为与双电层电容及电极与电解液界面形成的真正的静电电容相区别，称这样得到的电容为法拉第准(赝)电容。法拉第准(赝)电容不仅只在电极表面,而且可在整个电极内部产生,因而可获得比双电层

6、电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下,法拉第准(赝)电容可以是双电层电容量的10～100倍。赝电容根据电极反应的不同,分为吸附电容和氧化还原赝电容吸附赝电容是指电化学活性物质在基底电极上发生二维/准二维的电化学吸脱附,表现出电容性质。如H+在Pt电极表面的吸脱附反应氧化还原赝电容即法拉第赝电容是指活性电极材料发生氧化还原反应表现出来的电容特性,主要包括过渡金属氧化物和导电聚合物。双电层电容器存储的电荷与它的电容和电压相关Q=CV，电容和电压是独立的，但取决于电极的表面积，双电层的厚度和

7、电解液的介质常数。根据双电层电容器所需设备的性能或是使用的电解液选择电极材料。活性炭是双电层电容器传统的电极材料法拉第赝电容来源于电极-电解液界面快速可逆的氧化还原反应一方面要求法拉第反应有足够的活性位点；另一方面要求有足够多的电解质离子和电子参与法拉第反应。对于第一方面的要求，具有高比表面积的赝电容电极材料通过尺寸纳米化或表面造孔将满足要求；对于后者，通过制备更多层次具有良好电导率以及孔隙率的电极材料从而使电解质离子能够扩散和接触更多的电化学位点。法拉第赝电容电极材料主要包括过渡金属氧化物和导电聚

8、合物因此,制备高性能的超级电容器有2个途径:一是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量;二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提高准电容容量。但实际上对一种电极材料而言,这2种储能机理往往同时存在,只不过是以何者为主而已超级电超级电容器的大容量和高功率充放电就是由这两种原理产生的。充电时,依靠这两种原理储存电荷,实现能量的积累;放电时,实现能量的释放。二、超级电容器的基本分类超级电容储能机制可分为：双电层电容--电极表面与电解液间双电层储能。准电容--电极表