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科普:超级电容器的本质-双电层电容器

(2011-09-03 07:21:39) 下一个

   梁山石燕:对于目前热播的这个超级电容器,我认为新闻业者博取眼球热炒的成分比较大,不相信这个会是周國泰独创的全新技术。从他的简历看,我认为他在合成材料方面是个专家,但在谈到这个电池时他用的词汇让我很有忽悠大众的感觉我本人大学专业方向之一就是电池,对这个行业还是知道些。国内电池水平最高的是中科院大连化学物理研究所,那里出了十几位院士。。。业内真正的大拿公众反而不知道!

   昨晚想了又想,今早一查,豁然开朗。这个周国泰极力推崇的“超级”电容器,本质一定是这个双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)。至于他为何坚持用“超级”这个词而不用更专业的“双电层”电容器来向公众描述,不知道!反正我差点被忽悠。

   如果大家理解有困难,我可以给点解释,比如为何这个电容会如此超大,是因为俩个电荷之间只隔了一个水分子薄膜(电荷离子都是被水分子包裹的),距离超近但是尚未击穿,这是传统的薄膜电容无法比拟的根本原因,传统的薄膜电容无论你怎么薄也没法跟一个水分子厚度相比啊!这个包裹电荷的水分子薄膜的击穿电压是特定的,只有到一定值才会击穿释放电荷,这个是电镀的基本原理。但是只要在两端施加的电压还未到击穿电压,因为电场的存在,电荷(正负离子)将由于电场作用分别自动聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成双集电层,如此,超级电容器诞生了!

  神秘吗?一点也不!!!)

大家看看资料:

http://baike.baidu.com/view/1368284.htm

简介  双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)又叫超级电容器,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。双电层电容器用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源,可提供超大电流的电力;用作车辆启动电源,启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高,可以全部或部分替代传统的蓄电池;用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车;用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。

  双电层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106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。

编辑本段原理

  双电层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106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

  基本原理为:当向电极充电时,处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子,使这些离子附于电极表面上形成双电荷层,构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小(一般0.5nm以下),再加之采用特殊电极结构,使电极表面积成万倍的增加,从而产生极大的电容量

编辑本段工艺

  超级电容器的工艺流程为:配料→混浆→制电极→裁片→组装→注液→活化→检测→包装。

  超级电容器在结构上与电解电容器非常相似,它们的主要区别在于电极材料。早期的超级电容器的电极采用碳,碳电极材料的表面积很大,电容的大小取决于表面积和电极的距离,这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离,使超级电容器的容值可以非常大,大多数超级电容器可以做到法拉级,一般情况下容值范围可达1-5000F。

  超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。在超级电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的两个多孔炭电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成双集电层。

编辑本段优点

  如果使用不当会造成电解质泄漏等现象;和电解电容器相比,它内阻较大,因而不可以用于交流电路;

  1、超级电容器不同于电池,在某些应用领域,它可能优于电池。有时将两者结合起来,将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来,不失为一种更好的途径。

  2、超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位,且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围,如果过放可能造成永久性破坏。

  3、超级电容器的荷电状态(SOC)与电压构成简单的函数,而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。

  4、超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量,电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器尺寸的应用中,超级电容器是一种更好的途径。

  5、超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响,相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。

  6、超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。

  7、超级电容器可以反复循环数十万次,而电池寿命仅几百个循环

编辑本段分类

  超级电容器的类型比较多,按不同方式可以分为多种产品,以下作简单介绍。

  按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器:

  双电层型超级电容器,包括

  1.活性碳电极材料,采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。

  2.碳纤维电极材料,采用活性炭纤维成形材料,如布、毡等经过增强,喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。

  3.碳气凝胶电极材料,采用前驱材料制备凝胶,经过炭化活化得到电极材料。

  4.碳纳米管电极材料,碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性,采用高比表面积的碳纳米管材料,可以制得非常优良的超级电容器电极。

  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Econd公司产品为典型代表的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。

  赝电容型超级电容器:包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料,金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料,活性炭作为负极材料制备的超级电容器,导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极,以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度,目前除NiOx型外,其它类型多处于研究阶段,还没有实现产业化生产。

  按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型

  水性电解质,包括以下几类

  1.酸性电解质,多采用36%的H2SO4水溶液作为电解质。

  2.碱性电解质,通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质,水作为溶剂。

  3.中性电解质,通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质,水作为溶剂,多用于氧化锰电极材料的电解液。

  有机电解质

  通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质,有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂,电解质在溶剂中接近饱和溶解度。

  另外还可以分为:

  1.液体电解质超级电容器,多数超级电容器电解质均为液态。

  2.固体电解质超级电容器,随着锂离子电池固态电解液的发展,应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究。

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评论
梁山石燕 回复 悄悄话 回复imagine45的评论:
你太认真了。电容当电池用,搞科研是可以的,而至于汽车动力那就更是另一回事了。公众往往都没有那么专业的知识去明白它到底是怎么回事,到底里面有多少夸张的成分,所以特别容易被忽悠。科研经费有没有骗还不知道,但是至少没见到东西。干嘛不把东西做出来,装到汽车里跑一圈,然后怎么吹都行!
imagine45 回复 悄悄话 听说过的电容当电池用, 又是来骗科研经费的吧---这样的例子少吗?
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