雙電層電容:新型的功率儲能器件-中文百科頻道

原理

雙電層電容是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。衆所周知，插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符号相反的過剩電荷，從而使相間産生電位差。那麼，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分别在兩個電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下産生的極化電荷相似，從而産生電容效應，緊密的雙電層近似于平闆電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。

雙電層電容與鋁電解電容器相比内阻較大，因此，可在無負載電阻情況下直接充電，如果出現過電壓充電的情況，雙電層電容将會開路而不緻損壞器件，這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時，雙電層電容與可充電電池相比，可進行不限流充電，且充電次數可達10^6次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件

基本原理為：當向電極充電時，處于理想極化電極狀态的電極表面電荷将吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小（一般0.5nm以下），再加之采用特殊電極結構，使電極表面積成萬倍的增加，從而産生極大的電容量

工藝

超級電容器的工藝流程為：配料→混漿→制電極→裁片→組裝→注液→活化→檢測→包裝。

超級電容器在結構上與電解電容器非常相似，它們的主要區别在于電極材料。早期的超級電容器的電極采用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級電容器的容值可以非常大，大多數超級電容器可以做到法拉級，一般情況下容值範圍可達1-5000F。

超級電容器通常包含雙電極、電解質、集流體、隔離物四個部件。超級電容器是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的電容量的。在超級電容器中，采用活性炭材料制作成多孔電極，同時在相對的兩個多孔炭電極之間充填電解質溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分别聚集正負電子，而電解質溶液中的正負離子将由于電場作用分别聚集到與正負極闆相對的界面上，從而形成雙集電層。

分類

超級電容器的類型比較多，按不同方式可以分為多種産品，以下作簡單介紹。

按原理分為雙電層型超級電容器和赝電容型超級電容器：

雙電層型超級電容器，包括：

1.活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經過成型制備電極。

2.碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經過增強，噴塗或熔融金屬增強其導電性制備電極。

3.碳氣凝膠電極材料，采用前驅材料制備凝膠，經過炭化活化得到電極材料。

4.碳納米管電極材料，碳納米管具有極好的中孔性能和導電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優良的超級電容器電極。

以上電極材料可以制成：

1.平闆型超級電容器，在扣式體系中多采用平闆狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司産品為典型代表的多層疊片串聯組合而成的高壓超級電容器，可以達到300V以上的工作電壓。

2.繞卷型溶劑電容器，采用電極材料塗複在集流體上，經過繞制得到，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。

赝電容型超級電容器：包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負極材料制備的超級電容器，導電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經P型或N型或P/N型摻雜制取電極，以此制備超級電容器。這一類型超級電容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它類型多處于研究階段，還沒有實現産業化生産。

按電解質類型可以分為水性電解質和有機電解質類型：

水性電解質：

1.酸性電解質，多采用36％的H2SO4水溶液作為電解質。

2.堿性電解質，通常采用KOH、NaOH等強堿作為電解質，水作為溶劑。

3.中性電解質，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。

有機電解質：

通常采用LiClO4為典型代表的锂鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質，有機溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑，電解質在溶劑中接近飽和溶解度。

另外還可以分為液體電解質超級電容器，多數超級電容器電解質均為液态；固體電解質超級電容器，随着锂離子電池固态電解液的發展，應用于超級電容器的電解質也對凝膠電解質和PEO等固體電解質進行研究。

缺點

第一︰電化學電池（3-5·W·H/千克為一個标準的超級電容器每單位重量儲存的能量是一般較低，盡管85瓦時/公斤已在實驗室中實現2010年相比，30-40·W·H/公斤的鉛酸電池，100-250·W·H/公斤，锂離子電池，約1/1萬分之一體積的汽油的能量密度。

第二︰具有最高的任何類型的電容器的介質吸收。

第三︰高自放電率大大高于電化學電池高。

第四︰最大的低電壓系列連接需要，以獲得更高的電壓，電壓平衡可能需要。

第五︰與實際的電池，在任何電容，包括雙電層電容器，電壓顯着下降，因為它的排放。能源的有效存儲和恢複需要複雜的電子控制和開關設備，随之而來的能量損失。一個多電壓5.3WEDLC的醫療設備電源的詳細論述了詳細的設計原則。它使用在約150秒共55F的電容，收費，運行約60秒。電路采用開關模式穩壓器，線性穩壓器的清潔和穩定的電力，減少約70%的效率。開關穩壓器，降壓，升壓，降壓升壓類型的讨論，并得出結論，大不相同跨EDLC的降壓升壓電壓是最好的，增加第二個最好，降壓不宜。

第六：非常低的内部電阻允許極快速放電時短路，導緻類似的任何其他類似的電壓和電容（一般比電化學電池）電容火花危險。

優點

第一︰壽命長，能維持數百萬個充電循環的壽命。由于電容的充放電循環次數很多（百萬次或更多，與大部分市售的充電電池200-1000次相比），電容可以在大多數設備的壽命内持續使用，這使得設備變得更環保。充電電池通常壽命隻有幾年，而且他們的高活性化學電解質存在處理和安全上的隐患。雙電層電容器也可以與電池結合起到電荷調節功能，存儲來自其他能量源的能量已達到均衡負載的目的，然後使用充電電池，隻要電容器未充滿，任何多餘的能量都可以利用。

第二︰每個周期的平均成本低。

第三︰良好的可逆性。

第四︰充電和放電率非常高。

第五︰非常低的内部電阻（ESR）和随之而來的高周期效率（95%以上）和極低的放熱。

第六︰高輸出功率。

第七︰比功率高。根據ITS（交通研究學院，戴維斯，加利福尼亞）的測試結果，雙電層電容器的具體功率可超過6千瓦/千克，同時有着95%的效率。

第八︰使用無腐蝕性的電解質和低毒性的材料，提高了安全性。

第九︰簡單的充電方法，不必進行過充檢測，因為沒有過充的可能。

第十︰配合充電電池使用時，在某些應用中電容可以在很短的時間内提供能量，減少電池循環速率，延長電池壽命。

物料

在一般情況下，雙電層電容器通過了納米材料的使用，代替傳統的絕緣層，通常活性炭提高存儲密度。活性炭是一個非常多孔，“海綿”碳形式有一個非常高的比表面積一個共同的近似是1克（鉛筆橡皮擦般大小的量），有一個大約250平方米的表面面積大小一個網球場。它通常是極其精細，但很“粗糙”的粒子，其中，散裝，形成許多小孔的低密度堆粉末。由于這種材料甚至是一層薄薄的表面積是許多倍，比傳統材料，如鋁，越來越多的電荷載體（電解質的離子或自由基）可以存儲在一個給定的體積。由于碳是不是一個很好的絕緣體（與傳統設備所使用的優良絕緣體），一般雙電層電容器限于低2-3至五為了潛力，因此必須是“堆疊”（串聯），隻是作為傳統電池必須提供更高的電壓。

活性炭是不是“完美”的申請材料。其實運營商的收費（效果）相當大，特别是由分子的包圍時，往往大于木炭留下的洞，這是接受他們太小，限制了存儲。

截至2010年，幾乎所有的商業超級電容器用粉末活性炭由椰子殼制成的。[引證需要]性能更高的設備是可用的，在一個顯着的成本增加，合成碳與氫氧化鉀（KOH）激活的前體的基礎上。

在雙電層電容器的研究主要集中在改進的材料，提供更高的可用表面積。

石墨具有優異的表面面積每單位重量或體積密度，高導電性，可以在各個實驗室生産的，但不是在批量生産。特定的能量密度為85.6瓦/公斤，在室溫和136瓦時/公斤，在80℃（所有總電極重量計算），在電流密度為1A/G來衡量，已觀察到。這些能量密度值是鎳氫電池媲美。設備的充分利用，最高的内在表面電容及單層石墨比表面積預備彎曲不重新堆疊面對面的石墨薄片。彎曲的形狀，使訪問和對環境無害的離子液體能夠在電壓>4可濕性孔形成五。

碳納米管具有優良的nanoporosity屬性，使聚合物的微小空間，坐在管中，并作為介質。碳納米管可以存儲大約每單位面積，但碳納米管（這幾乎是純碳作為木炭相同的電荷）可以安排在一個更經常的模式，公開更多合适的表面積。電容器的碳納米管除了可以大大改善和提高雙電層電容器的性能。由于高表面積和高導電性的單壁碳納米管，這些碳納米管除了允許這些電容器優化。多壁碳納米管在電極孔，方便離子允許存在/電解質界面。碳納米管薄薄的牆壁，允許在雙電層電容器的高電容。通過添加多壁碳納米管，這些電容器，電極的電阻可以降低。電容與多壁碳納米管纖維細胞有較高的電子和電解質的離子電導率，比沒有這些碳納米管的細胞。這些納米管也有所改善電力電容器的能力。

一些聚合物（如polyacenes和導電聚合物）随着高表面積氧化還原（氧化還原）的存儲機制。

碳氣凝膠提供了極高的表面積約400-1000平方米/克的重量密度。氣凝膠超級電容器的電極通常由碳纖維制成，并塗上有機氣凝膠，然後經過裂解無紡紙的一種複合材料。碳纖維結構的完整性和氣凝膠提供所需的表面積大。小氣凝膠超級電容器被用作微電子備份的電力儲存。氣凝膠電容隻能工作在幾伏的高電壓電離的碳和損壞電容。碳氣凝膠電容已經達到325焦耳/克（90·W·H/公斤）的能量密度和功率密度20W/G。

固體活性炭，也稱為綜合的無定形碳（CAC）。它可以有一個表面面積超過2800平方米/克，可能更便宜比氣凝膠碳生産。

可調多孔碳具有系統的孔徑控制。H2的吸附處理，可用于增加能量密度高達75%以上是2005年商業。

礦物基碳1nonactivated碳，合成金屬或非金屬碳化物，如碳化矽，議會，Al4C3。合成納米多孔碳，通常被稱為碳化物衍生碳（CDC），有一個2000平方米/克，共約400平方米/克的表面面積比電容高達100架F/毫升（有機電解液）。截至2006年使用這種材料在超級電容器具有體積135毫升和200克的重量有1.6KF電容。能量密度超過47千焦耳/L，在2.85V和功率超過20W/G密度。

2007年8月研究人員結合與定向碳納米管的可生物降解的紙電池，锂離子電池和超級電容器（稱為bacitor）旨在充當。該設備采用本質上是一種液體鹽，離子液體作為電解液。可以卷起的紙張，扭曲，折疊，切或不完整或效率損失，或堆積，像普通的紙（或伏打電堆），來提高總産量。他們可以在各種尺寸，從郵票到大報。其重量輕，成本低，使他們有吸引力的便攜式電子設備，飛機，汽車，玩具（如模型飛機），而他們的能力，使用血液中的電解質，使他們潛在的有用的醫療器械，如心髒起搏器。

其他球隊正在嘗試與活化聚吡咯定制材料，碳納米管浸漬文件。