楓下客

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科普:超級電容器的本質-雙電層電容器

(2011-09-03 07:21:39) 下一個

   梁山石燕:對於目前熱播的這個超級電容器,我認為新聞業者博取眼球熱炒的成分比較大,不相信這個會是周國泰獨創的全新技術。從他的簡曆看,我認為他在合成材料方麵是個專家,但在談到這個電池時他用的詞匯讓我很有忽悠大眾的感覺我本人大學專業方向之一就是電池,對這個行業還是知道些。國內電池水平最高的是中科院大連化學物理研究所,那裏出了十幾位院士。。。業內真正的大拿公眾反而不知道!

   昨晚想了又想,今早一查,豁然開朗。這個周國泰極力推崇的“超級”電容器,本質一定是這個雙電層電容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)。至於他為何堅持用“超級”這個詞而不用更專業的“雙電層”電容器來向公眾描述,不知道!反正我差點被忽悠。

   如果大家理解有困難,我可以給點解釋,比如為何這個電容會如此超大,是因為倆個電荷之間隻隔了一個水分子薄膜(電荷離子都是被水分子包裹的),距離超近但是尚未擊穿,這是傳統的薄膜電容無法比擬的根本原因,傳統的薄膜電容無論你怎麽薄也沒法跟一個水分子厚度相比啊!這個包裹電荷的水分子薄膜的擊穿電壓是特定的,隻有到一定值才會擊穿釋放電荷,這個是電鍍的基本原理。但是隻要在兩端施加的電壓還未到擊穿電壓,因為電場的存在,電荷(正負離子)將由於電場作用分別自動聚集到與正負極板相對的界麵上,從而形成雙集電層,如此,超級電容器誕生了!

  神秘嗎?一點也不!!!)

大家看看資料:

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

簡介  雙電層電容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)又叫超級電容器,是一種新型儲能裝置,它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。雙電層電容器用途廣泛。用作起重裝置的電力平衡電源,可提供超大電流的電力;用作車輛啟動電源,啟動效率和可靠性都比傳統的蓄電池高,可以全部或部分替代傳統的蓄電池;用作車輛的牽引能源可以生產電動汽車、替代傳統的內燃機、改造現有的無軌電車;用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等戰車的順利啟動(尤其是在寒冷的冬季)、作為激光武器的脈衝能源。此外還可用於其他機電設備的儲能能源。

  雙電層電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界麵雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知,插入電解質溶液中的金屬電極表麵與液麵兩側會出現符號相反的過剩電荷,從而使相間產生電位差。那麽,如果在電解液中同時插入兩個電極,並在其間施加一個小於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,並分別在兩上電極的表麵形成緊密的電荷層,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產生的極化電荷相似,從而產生電容效應,緊密的雙電層近似於平板電容器,但是,由於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。

  雙電層電容器與鋁電解電容器相比內阻較大,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,雙電層電容器將會開路而不致損壞器件,這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時,雙電層電容器與可充電電池相比,可進行不限流充電,且充電次數可達106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,是一種介於電池和電容之間的新型特殊元器件。

編輯本段原理

  雙電層電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界麵雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知,插入電解質溶液中的金屬電極表麵與液麵兩側會出現符號相反的過剩電荷,從而使相間產生電位差。那麽,如果在電解液中同時插入兩個電極,並在其間施加一個小於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,並分別在兩上電極的表麵形成緊密的電荷層,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產生的極化電荷相似,從而產生電容效應,緊密的雙電層近似於平板電容器,但是,由於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。

  雙電層電容器與鋁電解電容器相比內阻較大,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,雙電層電容器將會開路而不致損壞器件,這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時,雙電層電容器與可充電電池相比,可進行不限流充電,且充電次數可達106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,是一種介於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,處於理想極化電極狀態的電極表麵電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子,使這些離子附於電極表麵上形成雙電荷層,構成雙電層電容。由於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,使電極表麵積成萬倍的增加,從而產生極大的電容量

編輯本段工藝

  超級電容器的工藝流程為:配料→混漿→製電極→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,它們的主要區別在於電極材料。早期的超級電容器的電極采用碳,碳電極材料的表麵積很大,電容的大小取決於表麵積和電極的距離,這種碳電極的大表麵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,采用活性炭材料製作成多孔電極,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別聚集正負電子,而電解質溶液中的正負離子將由於電場作用分別聚集到與正負極板相對的界麵上,從而形成雙集電層。

編輯本段優點

  如果使用不當會造成電解質泄漏等現象;和電解電容器相比,它內阻較大,因而不可以用於交流電路;

  1、超級電容器不同於電池,在某些應用領域,它可能優於電池。有時將兩者結合起來,將電容器的功率特性和電池的高能量存儲結合起來,不失為一種更好的途徑。

  2、超級電容器在其額定電壓範圍內可以被充電至任意電位,且可以完全放出。而電池則受自身化學反應限製工作在較窄的電壓範圍,如果過放可能造成永久性破壞。

  3、超級電容器的荷電狀態(SOC)與電壓構成簡單的函數,而電池的荷電狀態則包括多樣複雜的換算。

  4、超級電容器與其體積相當的傳統電容器相比可以存儲更多的能量,電池與其體積相當的超級電容器相比可以存儲更多的能量。在一些功率決定能量存儲器尺寸的應用中,超級電容器是一種更好的途徑。

  5、超級電容器可以反複傳輸能量脈衝而無任何不利影響,相反如果電池反複傳輸高功率脈衝其壽命大打折扣。

  6、超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。

  7、超級電容器可以反複循環數十萬次,而電池壽命僅幾百個循環

編輯本段分類

  超級電容器的類型比較多,按不同方式可以分為多種產品,以下作簡單介紹。

  按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器:

  雙電層型超級電容器,包括

  1.活性碳電極材料,采用了高比表麵積的活性炭材料經過成型製備電極。

  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製備電極。

  3.碳氣凝膠電極材料,采用前驅材料製備凝膠,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,采用高比表麵積的碳納米管材料,可以製得非常優良的超級電容器電極。

  以上電極材料可以製成:

  1.平板型超級電容器,在扣式體係中多采用平板狀和圓片狀的電極,另外也有Econd公司產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,采用電極材料塗覆在集流體上,經過繞製得到,這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。

  贗電容型超級電容器: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製備的超級電容器,導電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經P型或N型或P/N型摻雜製取電極,以此製備超級電容器。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,其它類型多處於研究階段,還沒有實現產業化生產。

  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,包括以下幾類

  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,多用於氧化錳電極材料的電解液。

  有機電解質

  通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、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:

  1.液體電解質超級電容器,多數超級電容器電解質均為液態。

  2.固體電解質超級電容器,隨著鋰離子電池固態電解液的發展,應用於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。

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評論
梁山石燕 回複 悄悄話 回複imagine45的評論:
你太認真了。電容當電池用,搞科研是可以的,而至於汽車動力那就更是另一回事了。公眾往往都沒有那麽專業的知識去明白它到底是怎麽回事,到底裏麵有多少誇張的成分,所以特別容易被忽悠。科研經費有沒有騙還不知道,但是至少沒見到東西。幹嘛不把東西做出來,裝到汽車裏跑一圈,然後怎麽吹都行!
imagine45 回複 悄悄話 聽說過的電容當電池用, 又是來騙科研經費的吧---這樣的例子少嗎?
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