超級電容器的原理——時恒電子
發布時間：2017/3/6 訪問人數：1035次
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一、超級電容器的原理
超級電容也稱電化學電容，與傳統靜電電容器不同，主要表現在儲存能量的多少上。作為能量的儲存或輸出裝置，其儲能的多少表現為電容量的大小。根據超級電容器儲能的機理，其原理可分為：
1.在電極P 溶液界面通過電子和離子或偶極子的定向排列所產生的雙電層電容器。
雙電層理論由19 世紀末H elm h otz 等提出。關于雙電層的代表理論和模型有好幾種，其中以H elm h otz 模型最為簡單且能夠充分說明雙電層電容器的工作原理。該模型認為金屬表面上的靜電荷將從溶液中吸收部分不規則的分配離子，使它們在電極P 溶液界面的溶液一側，離電極一定距離排成一排，形成一個電荷數量與電極表面剩余電荷數量相等而符號相反的界面層。于是，在電極上和溶液中就形成了兩個電荷層，這就是我們通常所講的雙電層。雙電層有儲存電能量的作用，電容器的容量可以利用以下公式來計算：
式中，E為電容器的儲能大小；C為電容器的電容量；V 為電容器的工作電壓。由此可見，雙電層電容器的容量與電極電勢和材料本身的屬性有關。通常為了形成穩定的雙電層，一般采用導電性能良好的極化電極。
2.在電極表面或體相中的二維與準二維空間，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附、脫附或氧化還原反應，產生與電極充電電位有關的法拉第準電容器。
在電活性物質中，隨著存在于法拉第電荷傳遞化學變化的電化學過程的進行，極化電極上發生欠電位沉積或發生氧化還原反應，充放電行為類似于電容器，而不同于二次電池，不同之處為：
（1）極化電極上的電壓與電量幾乎呈線性關系；
（2）當電壓與時間成線性關系d V/d t=K時，電容器的充放電電流為一恒定值I=Cd V/d t=CK.此過程為動力學可逆過程，與二次電池不同但與靜電類似。法拉第電容和雙電層電容的區別在于：雙電層電容在充電過程中需要消耗電解液，而法拉第電容在整個充放電過程中電解液的濃度保持相對穩定。
法拉第準電容不僅在電極表面產生，而且還可以在電極內部產生，其最大充放電能力由電活性物質表面的離子取向和電荷轉移速度控制，因此可以在短時間內進行電荷轉移，即可以獲得更高的比功率（比功率大于500W /kg ）。
二、超級電容器的特點
超級電容器具有優良的脈沖充放電和大容量儲能性能，單體容量已經達到萬法拉級是一種介于靜電電容器與電池之間的儲能元件。與普通電容器和電池相比，超級電容器具有許多電池無法比擬的優點。
1.具有極高的功率密度。電容器的功率密度為電池的10~100倍，可達到10kW /kg 左右，可以在短時間內放出幾百到幾千安培的電流。這個特點使得超級電容器非常適合用于短時間高功率輸出的場合。
2.充電速度快。超級電容器充電是雙電層充放電的物理過程或是電極物質表面的快速、可逆的化學過程，可采用大電流充電，能在幾十秒到數分鐘內完成充電過程，是真正意義上的快速充電。
而蓄電池則需要數小時完成充電，采用快速充電也需要幾十分鐘。
3.使用壽命長。超級電容器充放電過程中發生的電化學反應都具有良好的可逆性，不易出現類似電池中活性物質那樣的晶型轉變、脫落、枝晶穿透隔膜等一系列的壽命終止現象，碳極電容器理論循環壽命為無窮大， 實際可達100000 次以上，比電池高10 ~100倍。
4.低溫性能優越。超級電容充放電過程中發生的電荷轉移大部分都在電極活性物質表面進行，所以容量隨溫度衰減非常小。電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達70% 。
