雙電層電容器

雙電層電容器(ElectricalDouble-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）、作為雷射武器的脈衝能源。此外還可用於其他機電設備的儲能能源。

基本介紹

• 中文名：雙電層電容器
• 外文名：ElectricalDouble-LayerCapacitor
• 又叫：超級電容器
• 原理：界面雙電層理論
• 套用：車輛啟動電源、脈衝能源
• 學科：電子工程

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面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面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷，從而使相間產生電位差。

那么，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面形成緊密的電荷層，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10^6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面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面上形成雙電荷層，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），再加之採用特殊電極結構，使電極表面積成萬倍的增加，從而產生極大的電容量。

工藝

超級電容器的工藝流程為：配料→混漿→制電極→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採用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決於表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面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，採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荷，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面上，從而形成雙集電層。

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，採用了高比表面積的活性炭材料經過成型製備電極。
2. 碳纖維電極材料，採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，採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，採用高比表面積的碳納米管材料，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，在扣式體系中多採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，採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。
3. 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NiO_x、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，除NiO_x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，多採用36%的H₂SO₄水溶液作為電解質。
2. 鹼性電解質，通常採用KOH、NaOH等強鹼作為電解質，水作為溶劑。
3. 中性電解質，通常採用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。

有機電解質通常採用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，套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。

缺點

1. 電化學電池（3-5·W·H /千克為一個標準的超級電容器每單位重量儲存的能量是一般較低，儘管85瓦時/公斤已在實驗室中實現，2010年，相比， 30-40·W·H /公斤的鉛酸電池，100-250·W·H /公斤的鋰離子電池，約1/1萬分之一體積的汽油的能量密度；
2. 具有最高的任何類型的電容器的介質吸收；
3. 高自放電率---大大高於電化學電池；
4. 最大電壓低 - 需要系列連線，以獲得更高的電壓，可能需要電壓平衡；
5. 與電化學電池相比，雙電層電容器（包括其他類型電容器）隨著能量的釋放電壓會顯著下降。它的充電放電需要複雜的電子控制和開關設備，隨之會帶來能量損失。一個多電壓5.3 W EDLC的醫療設備電源的詳細論述了詳細的設計原則。它使用在約150秒共55 F的電容，收費，運行約60秒。電路採用開關模式穩壓器，線性穩壓器的清潔和穩定的電力，減少約70%的效率。開關穩壓器，降壓，升壓，降壓 - 升壓類型的討論，並得出結論，大不相同跨EDLC的降壓 - 升壓電壓是最好的，增加第二個最好，降壓不宜；
6. 非常低的內部電阻--允許極快速放電。短路時，會比任何其他類型電容或電化學電池更危險。

優點

1. 壽命長，有點退化了數以十萬計的充電周期。由於電容的充放電循環（百萬或更多的200至1000大部分市售的充電電池相比）的高數量將持續為大多數設備的整個生命周期，這使得環保設備。充電電池通常穿了幾年了，和他們的高活性化學電解質提出了處理和安全隱患。可以只收取了有利的條件下，一個理想的速度，對於一些化學物質，儘可能少地最佳化電池壽命。雙電層電容器與電池結合作為電荷調節，存儲從其他來源的能量負載均衡的目的，然後使用充電電池，在適當的時間，任何多餘的能量可以幫助；
2. 每個周期的成本低；
3. 良好的可逆性；
4. 充電和放電率非常高；
5. 非常低的內部電阻（ESR）和隨之而來的高周期效率（95%以上）和極低的加熱水；
6. 高輸出功率；
7. 比功率高。根據ITS（交通研究學院，戴維斯，加利福尼亞）的測試結果，雙電層電容器的具體功率可超過6千瓦/千克，95%的效率；
8. 提高了安全性，無腐蝕性的電解質和低毒性的材料；
9. 簡單的收費方法，沒有充分充電檢測是必要的，沒有濫收費用的危險；
10. 配合使用充電電池時，在某些套用中EDLC的很短的時間提供能量，減少電池腳踏車稅和延長壽命。

物料

在一般情況下，雙電層電容器通過了納米材料的使用，代替傳統的絕緣層，通常活性炭提高存儲密度。活性炭是一個非常多孔，“海綿”碳形式有一個非常高的比表面積 - 一個共同的近似是1克（鉛筆橡皮擦般大小的量），有一個大約250平方米的表面面積大小 - 一個網球場。它通常是極其精細，但很“粗糙”的粒子，其中，散裝，形成許多小孔的低密度堆粉末。由於這種材料甚至是一層薄薄的表面積是許多倍，比傳統材料，如鋁，越來越多的電荷載體（電解質的離子或自由基）可以存儲在一個給定的體積。由於碳是不是一個很好的絕緣體（與傳統設備所使用的優良絕緣體），一般雙電層電容器限於低2-3至五為了潛力，因此必須是“堆疊”（串聯），只是作為傳統電池必須提供更高的電壓。

活性炭是不是“完美”的申請材料。其實運營商的收費（效果）相當大，特別是由分子的包圍時，往往大於木炭留下的洞，這是接受他們太小，限制了存儲。

截至2010年，幾乎所有的商業超級電容器用粉末活性炭由椰子殼製成的。性能更高的設備是可用的，在一個顯著的成本增加，合成碳與氫氧化鉀（KOH）激活的前體的基礎上。

在雙電層電容器的研究主要集中在改進的材料，提供更高的可用表面積。

石墨具有優異的表面面積每單位重量或體積密度，高導電性，可以在各個實驗室生產的，但不是在批量生產。特定的能量密度為85.6瓦/公斤，在室溫和136瓦時/公斤，在80℃（所有總電極重量計算），在電流密度為1 A / G來衡量，已觀察到。這些能量密度值是鎳氫電池媲美。設備的充分利用，最高的內在表面電容及單層石墨比表面積預備彎曲不重新堆疊面對面的石墨薄片。彎曲的形狀，使訪問和對環境無害的離子液體能夠在電壓> 4可濕性孔形成五。

碳納米管具有優良的nanoporosity屬性，使聚合物的微小空間，坐在管中，並作為介質。碳納米管可以存儲大約每單位面積，但碳納米管（這幾乎是純碳作為木炭相同的電荷）可以安排在一個更經常的模式，公開更多合適的表面積。電容器的碳納米管除了可以大大改善和提高雙電層電容器的性能。由於高表面積和高導電性的單壁碳納米管，這些碳納米管除了允許這些電容器最佳化。多壁碳納米管在電極孔，方便離子允許存在/電解質界面。碳納米管薄薄的牆壁，允許在雙電層電容器的高電容。通過添加多壁碳納米管，這些電容器，電極的電阻可以降低。電容與多壁碳納米管纖維細胞有較高的電子和電解質的離子電導率，比沒有這些碳納米管的細胞。這些納米管也有所改善電力電容器的能力。

碳氣凝膠提供了極高的表面積約400-1000平方米/克的重量密度。氣凝膠超級電容器的電極通常由碳纖維製成，並塗上有機氣凝膠，然後經過裂解無紡紙的一種複合材料。碳纖維結構的完整性和氣凝膠提供所需的表面積大。小氣凝膠超級電容器被用作微電子備份的電力儲存。氣凝膠電容只能工作在幾伏的高電壓電離的碳和損壞電容。碳氣凝膠電容已經達到325焦耳/克（90·W·H /公斤）的能量密度和功率密度20 W / G。

固體活性炭，也稱為綜合的無定形碳（CAC）。它可以有一個表面面積超過2800平方米/克，可能更便宜比氣凝膠碳生產。

2007年8月研究人員結合與定向碳納米管的可生物降解的紙電池，鋰離子電池和超級電容器（稱為bacitor）旨在充當。該設備採用本質上是一種液體鹽，離子液體作為電解液。可以捲起的紙張，扭曲，摺疊，切或不完整或效率損失，或堆積，像普通的紙（或伏打電堆），來提高總產量。他們可以在各種尺寸，從郵票到大報。其重量輕，成本低，使他們有吸引力的攜帶型電子設備，飛機，汽車，玩具（如模型飛機），而他們的能力，使用血液中的電解質，使他們潛在的有用的醫療器械，如心臟起搏器。