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超级电容器的原理<br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />图2 双电层电容器原理图<br /><br />超级电容器的基本类型是利用双电层原理制成的电容器，它是超级电容器中最重要的一种类型，从双电层电容量产生的机理上可见，电解质溶液中只存在离子电导，不允许电子电导，这是双电层电容器的特点，由此也有称它为离子电容器。显然，它和一般电容器不同，一般电容器是靠电解质极化能力取得电容量的，而双电层电容器是靠固体和固体，或液体和固体界面处存在的正负双电层来取得容量的。双电层电容器的电容量取决于界面双电层电荷，这种电荷不同于电解质的极化电荷。因此，双电层电容器的工作原理完全不同于用氧化物介电质作储电材料的电解电容及陶瓷电容等普通电容器，它的静电容量可达到几法拉到上百法拉，成为一种介于电容和电池之间的新型电子元件。双电层电容器的模型如图2所示，在充放电过程中，电解质离子在溶液中移动，在正负电极上仅产生吸附和脱附，因此和伴有化学反应的一般充放电电池不同，在反复充放电时性能降低极小 。<br />双电层电容器的两个电极是对称的，均是利用了双电层原理获得电容量，另外一类超级电容器是电极不对称型，采用氧化物，如氧化钌、氧化镍、氧化锰等材料作为正极，活性炭作为负极，这类电容器称为赝电容型超级电容器，它是利用正极发生电化学反应，负极仍为双电层吸附的机理制作，这类电容器可以看作是介于双电层电容器和电池之间的一类超级电容器。还存在一类赝电容型电容器，正负极均采用材料的电化学反应，如聚合物电极材料制备的超级电容器，这类超级电容器机理与电池的原理更相似，可以得到更大的电容量。<br />比较而言，双电层型超级电容器无论在寿命、工作温度范围、工作电压范围、功率密度以及可靠性上，比赝电容型超级电容器具有更大的优势，后者的优点是在能量密度上可以做到更大。<br /><br />超级电容器的特点<br />超级电容器的显著特点是储能密度大、放电比功率高、快速充放电能力强、循环寿命长，其能量较普通静电电容器高很多，介于静电电容器和蓄电池之间。双电层电容器虽然出现较晚，但它却有极旺盛的生命力和发展前景，这是因为它具有普通电容器和电池所没有的优点：<br />1) 尺寸小，电容量大。比电容极高，储能密度大，易于实现超小型化，适合小型与便携式机器使用。<br />2) 使用温度范围宽。通常可以达到－40℃～85℃，而二次电池使用温度一般仅为0℃～40℃。<br />3) 充放电性能好，而且无需限流和充放电控制回路。二次电池受充放电电流限制，充电时间长，一般需十几小时，充放电次数多为300～500次，而双电层电容器不受充电电流限制，可快速充电，几秒到几十秒即可充满，充放电次数没有限制，可以不必考虑充放电次数的影响，大于105次循环。<br />4) 电压保持特性良好，漏电流极小。<br />5) 存储和使用寿命长。电极采用惰性材料，不存在介质，无化学破坏及老化问题。<br />6) 原材料容易获取，生产成本低。<br />双电层电容器可以得到极大的电容量以及优异的瞬时充放电性能，与小型封装二次电池相比具有更高的功率密度和更长的充/放电循环使用寿命，与常规电容相比具有更大的能量密度，此外它还具有免维护、高可靠性等优点。所以双电层电容器是一种兼备电容和电池特性的新型元件，其能量与功率密度对比如图3所示。<br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />图3 几种储能器件能量与功率密度对比图<br /> |
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