超级电容器(新能源材料与器件导论第二十节课件)
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超级电容器超级电容器从储能机理上面分的话,超级电容器分为双层电容器和赝电容器。
是一种新型储能装置,它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
超级电容器用途广泛。
概述超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),原理又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能。
它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。
超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。
众所周知,插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。
那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层。
它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。
双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏器件,这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。
同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达10^6次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。
第三章超级电容器材料 根据使用电极材料的不同可分为两大类:(1)以炭材料为电极,以电极双电层电容的机制储存电荷,本质是静电型能量储存方式,通常被称作双电层电容器(EDLC)。
电容量与电极电位和比表面积的大小有关,因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料,从而增加电容量。
例如,活性碳的表面积可达1000m2/g,电容量可达100F/g,且碳材料还具有成本低,技术成熟等优点,该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。
(2)以二氧化钌或者导体聚合物等材料为正极,活性炭作为负极材料,以氧化还原反应的机制存储电荷,通常被称作电化学电容器。
与双电层电容器的静电容量相比,相同表面积下超电容器的容量要大 10~100倍,因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。
但由于贵金属的价格高,主要用于军事领域。
根据储能原理分类:双电层型超级电容和赝电容型超级电容器。
1) 双电层型超级电容器包括:活性炭(粉、纤维)电极材料、炭气凝胶电极材料、碳纳米管电极材料、石墨烯电极材料超级电容器。
以上电极材料可以制成:1.平板型超级电容器,在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极,另外也有多层叠片串联组合而成的高压超级电容器,可以达到300V以上的工作电压。
2.绕卷型溶剂电容器,采用电极材料涂覆在集流体上,经过绕制得到,这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。
电解液的分解电压决定了最大工作电位窗口⏹电极材料决定容量C⏹电解液决定V max,由于与电压的平方关系,因此电解液分解电压关系到能量密度⏹高的能量密度可以通过提高电极材料容量C,或者电解液电化学稳定窗口来获得。
6. 电解液电容器电解质:水溶液:酸性体系——硫酸碱性体系——氢氧化钾有机电解液:Et4NBF4/PC(小型电容器,高温性能好)Et4NBF4/AN(大型,大功率、低温)LiAlCl4/SOCl2季磷盐( R4P+)电导率高、电化学稳定性好,可以提高电容器的分解电压 (达5.4~5.5 V)。
超级电容器电极材料的研究进展摘要:对不同电极材料的储能机理和性能特点进行了简要的阐述,并详细综述了活性碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物三类超级电容器电极材料的研究进展和现状, 并探讨了其发展方向和研究重点。
关键字:超级电容器;双电层电容器;法拉第准电容器;电极材料0 前言超大容量电容器(supercapacitor)又称电化学电容器,是一种介于普通静电电容器与二次电池之间的新型储能元件。
由于它具有比功率高、比容量大、成本低、循环寿命长、无记忆、充放电效率高,不需要维护和保养等优点,因此在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有广阔的应用前景。
世界各国都给予了高度重视,并将其作为重点开发项目和战略研究进行研发。
美国能源部制定了电化学电容器的发展计划,其近期(1998~2003年)目标为:比能量达5 Wh/kg,比功率达500 W/kg;远期(2003年以后)目标为:比能量达15 Wh/kg,比功率达1500 W/kg。
1. 超电容储能机理超大容量电容器按原理可分为双电层电容器(Electric double layer capacitor)和赝电容电容器(pseudo-capacitor),也称法拉第准电容。
作为第一类导体的电极与第二类导体的电解质溶液接触时,充电时则在电极/溶液界面发生电子和离子或偶极子的定向排列,形成双电层电容。
双电层电容器的电极通常为具有高比表面积的多孔炭材料,目前常用的炭材料有:活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、碳气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、网络结构炭以及某些有机物的炭化产物。
赝电容是指通过电极表面改性——在电极中引入高度可逆的氧化还原对或偶极子的吸附形成法拉第赝电容在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应,产生和电极充电电位有关的电容。
电极物质发生了包括电子传递的法拉第反应,但是它的充放电行为却更象一个电容器而不是加法尼电池,具体表现为:①电池系统的电压随充入或放出电荷量的多少而呈线性变化;②当对电极加一个随时间线性变化的外电压 dv/dt V t (V⋅ S -1) 时,可以观察到一个近乎常量的充放电流或电容 I = C⋅ V/dt = CV t ,是提高电化学电容数值的重要方法。