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超等电容器分类和储能原理

2020-03-18

超等电容器的结构与锂离子电池相近, 都是凭据正极/隔膜/负极依次排列组装而成。 其中正负极都是通过将活性物质涂覆在集流体上后经烘干并压实而成, 隔离膜安排在正负极中间以制止正负极短路, 电解液作为离子传输的载体。


随着超等电容器研究偏向的跨学科化和应用场景的广泛化, 超等电容器的种类日益增多。

凭据储能原理来区分:双电层电容器、法拉第赝电容器和混淆型电容器;

按电极质料来区分:碳基电容器、金属氧化物电容器和导电聚合物电容器;

凭据电极质料是否为同一种电极质料区分:对称型电容器和混淆型电容器;

凭据电解液种类来区分:有水系电解液电容器和非水系电解液电容器, 其中水系电解液电容器又有酸性、 中性和碱性水系电解液电容器之分。


差别于锂离子电池通过氧化还原反应让锂离子从正负极中重复嵌入与脱出来实现贮存和释放能量, 超等电容器储能机理的基础是双电层理论。 如图 1 所示, 外电场促使电解液中的正负离子划分在电容器的的负极/正极的固液界面上定向排列, 充电时电容器的正负极板外貌集聚过剩电荷, 电解液中的相反电荷就会在正负极的固液界面定向排列,形成双电层; 放电时正负极板通过导通的外电路爆发电荷转移, 过剩电荷量减少, 相应的固液界面的相反电荷回到电解液中, 从而实现能量的贮存和释放。法拉第赝电容器的储能机理除了有双电层电容器的储能方法外, 另有氧化还原储能方法, 即离子被吸附到正负极板上活性物质的外貌或嵌入活性物质内, 与周围物质爆发氧化还原反应来实现能量的存储, 这种方法没有质料的相变, 有别于锂离子电池中的锂离子在正负极间的嵌入与脱嵌。

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图 1 差别种类超等电容器的原理示意图:

 (a) 双电层电容器,(b) 法拉第赝电容器, (c) 混淆型电容器


基于以上原理, 相比于古板可充电电池, 超等电容器关于电极质料的需求有着自己独吞的特点,主要包括高的比能量、 高的比功率和长的循环寿命。 就质料自己特性来说, 需要其具有高的比外貌积以及好的导电性和吸附性能。而碳基电极质料恰恰具备以上优势, 并且原料富厚廉价、 制备工艺简单、 孔隙状态易调, 化学性质稳定、 导热导电性能好, 比外貌积高、 循环性能优异, 并且可作为基底与金属氧化物和导电聚合物组成复合物, 是目前应用最广 泛和商业化最成熟的超等电容器电极质料。


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