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1、超级电容器超级电容器Supercapacitor与蓄电池相似而又不同的一类储能器件或储能装置一、超级电容器概述化学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--电极表面快速的氧化-还原反应储能。相应的两类电极—-—组成三种电容器双电层电容器正、负极——多孔炭准电容器正、负极——金属化合物、石墨、导电聚合物。寿命短、电压低混合电容器电压、能量密度高1、储能原理双电层电容原理双电层电容原理是指由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附,造成两固体电极之间的电势差,从而实现能量的存储。这种储能原理允许大电流快速充放电,其容量大小随所选电极材料的有效比表面积
2、的增大而增大。充电时,在固体电极上电荷引力的作用下,电解液中阴阳离子分别聚集两个固体电极的表面;放电时,阴阳离子离开固体电极的表面,返回电解液本体。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。超级电容（supercapacitor），双电层电容(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容，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。超级电容器介于电容器和电池之间的储能器件，既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的
3、储能特性。双电层原理示意图双电层电极、溶液界面结构示意图Struturediagramoftheinterfacebetweenelectrodeandelectrolyte双电层电容器充电状态电位分布曲线Profileofthepotentialacrosselectrochemicaldoublelayercapacitorinthechargedcondition双电层电容器放电状态电位分布曲线Prifileofthepotentialacrossanelectrochemicaldouble-layercapacitorinthedischargedcondition准电容原理
4、（赝电容）准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快速可逆法拉第反应来实现能量存储。这种法拉第反应与二次电池的氧化还原反应不同。准电容原理此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是原电池,（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。准电容的特点：准电容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。这种电化学能量储存系统首先由Conway等与CraiyofContinental集团合作,于1975年开始并致力于这方面的研究工作
5、,研制出采用这种充放电原理的名为超电容的电容器。这种充放电行为,Ru的氧化物(RuO2)表现最显著,但其最早的表现形式是H在Pt或Pb在Au上进行欠电位沉积,产生高度可逆的化学吸附、脱附。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。①.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极
6、板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3-4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。②.充放电寿命很长，可达500000次，或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次，③.可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。④.可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。⑤.可以在很宽的温度范
7、围内正常工作（-40-+70℃）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。⑥.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池多具有毒性。超级电容器的大容量和高功率充放电就是由这2种原理产生的。充电时,依靠这2种原理储存电荷,实现能量的积累;放电时,又依靠这2原理,实现能量的释放。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。实际上对
