当前课程知识点：能源化学工程概论 > 第八章 超级电容器 > 第二节 超级电容器的分类 > 超级电容器的分类
大家好
本节课我们来学习超级电容器的相关知识
超级电容器的分类及工作原理
在普通电容器的基础上
为了追求更高的能量密度
超级电容器技术被研发出来
且因其具有使用寿命长
温度特性好
系统简单 造价便宜等特性
可部分替代传统的化学电池
用于车辆的牵引电源和启动能源
而备受科研工作者的瞩目
比较有意思的是
在超级电容器的发展进程中
人们分别使用了许多不同的名称
如双电层电容器 动电电容器 准电容器
黄金电容器和超级电容器等等
其中超级电容器是研究者
和企业界最为广泛接受的称呼
所以我们在之后的讲解中
统称为超级电容器
超级电容器是一种基于双电层吸附
表面的氧化还原反应
或体相内离子的快速插入
脱出来实现储能的新型储能器件
根据电能的储存与转化机理的不同
超级电容器可以分为三种不同类型
一种是将电荷存储在电极
电解质溶液界面处的双电层中
如以高比表面积碳
为电极材料的超级电容器
另一种是利用发生在电极表面的二维
或准二维快速高度可逆
法拉第反应存储电荷
一般以过渡金属氧化物
和导电聚合物为电极材料
第三种即以赝电容和
双电层电容材料
分别为正负极的混合型超级电容器
我们分别来介绍
这三种不同类型的超级电容器
双电层电容器主要通过电极
溶液界面电双层来储存电荷
电荷存储
释放的整个过程是物理迁移过程
没有发生化学反应
区别于普通电容器双极板间
电子对电子的储能过程
双电层电容器
则为界面处电子对离子的储能过程
那么
在双电层电容器的电极溶液界面处
电子和离子是怎样做到储存电能的呢
首先要把两个极板插入电解质溶液内
电解液中含有正离子和负离子
把两个极板通电以后
电子通过外加电源从正极转移到负极
使电极带有异种电荷
同时溶液中的正负离子
分别向对应的电极移动
在一定的距离内
正负极
电解质溶液界面处
各形成了一个由电子
和离子组成的电容器
而整个超级电容器
就形成了一个拥有电双层的电容器
回想下我们上节课学习过的
电容的定义公式
电容值C与两极板正对面积S成正比
跟两极板间距离d成反比
由于双电层电容器为物理储能过程
便可利用此公式
双电层电容器
采用高比表面积碳为电极材料
以活性炭为例
其比表面积大于2000平方米每克
所以极大的提升了极板正对面积S
那么在电双层里
电子与离子的距离又会是多少呢
由于离子是存在于两极间的液体里
而在液体里还有溶剂分子
所以
每个离子周围都会裹满溶剂分子
那么此时
电双层中电子与离子间的距离
就是一个溶剂分子的距离
为纳米级尺度
这样又极大的减少了极板间距离d
所以
在正对面积S与间距d的共同作用下
使得双电层电容器拥有了传统电容器
10-100万倍的电容量
法拉第赝电容器
也叫法拉第准电容器
是在电极表面活体相中的二维
或三维空间上
电极活性物质进行欠电位沉积
发生高度可逆的化学吸附
或氧化还原反应
产生与电极充电电位有关的电容
这种电极系统的电压
随电荷转移的量呈线性变化
表现出电容特征
故称为“准电容”
是作为双电层型
电容器的一种补充形式
充电时电解液中的离子
在外加电场的作用下
向溶液中扩散到电极 溶液界面
而后通过界面的电化学反应
进入到电极表面
活性氧化物的体相中
若电极材料是
具有较大比表面积的氧化物
就会有相当多的这样的
电化学反应发生
大量的电荷就被存储在电极中
与此过程相反
放电时这些进入氧化物中的离子
又会重新回到电解液中
同时所存储的电荷
通过外电路释放出来
不过法拉第赝电容中
化学过程的发生亦有利弊
在电极面积相同的情况下
法拉第赝电容器的比电容
是双电层电容器的10-100倍
同时具有较大的比容量和能量密度
但是
由于电极反应牵涉到了化学反应过程
则往往会有不可逆的成分在
所以可逆性和循环性能
相对双电层电容器较差
为了兼具双电层电容器
和法拉第赝电容器的优点产生协同效应
目前一种较新的超级电容器
类型为混合型超级电容器
其一极采用传统的电池电极
并通过电化学反应来储存和转化能量
另一极则通过双电层来储存能量
以锂离子超级电容器为例
其正极采用高比表面积活性炭
双电层电容器电极材料
负极则为储锂石墨锂离子电池
电极材料
在充电时
电解液中的锂离子嵌入到
石墨层间形成嵌锂石墨
同时电解液中的阴离子
则吸附在活性炭正极表面形成双电层
而在放电时
锂离子从负极材料中
脱出回到电解液中
脱出回到电解液中
正极活性炭
与电解液界面间产生的双电层解离
阴离子从正极表面释放
同时电子从负极通过外电路到达正极
这三种不同类型的超级电容器
有各自的特性和优缺点
总体而言
双电层超级电容器是更为纯粹的电容器
以物理方式储能
其安全性能高
使用寿命长 且已商业化
但它的能量密度较低
法拉第赝电容器存在化学反应过程
类似于电池
具有相对更高的能量密度
不过其功率密度较低
而混合型超级电容器兼具二者优势
却依然在产业化推进中
我们寄望的是
在电极材料 电解液
隔膜等相关技术发展的基础上
使超级电容器不但能保持其功率密度
且可不断提高它的能量密度特性
在未来储能器件应用领域
发挥更大的作用
好这节课我们介绍了
超级电容器的主要类型及工作原理
本节内容结束
-第一节 课程概述
--课程概述
-第二节 课程基本知识
--课程基本知识
-第一节 煤炭概述
--煤炭概述
-第二节 煤炭直接液化
--煤炭直接液化
-第三节 煤炭间接液化-煤炭气化
-第四节 煤炭间接液化-合成气制油品
-第五节 煤炭间接液化-合成气制含氧液体
-第一节 石油概述
--石油概述
-第二节 石油一次加工
--石油一次加工
-第三节 石油二次加工
--石油二次加工
-第四节 石油三次加工
--石油三次加工
-第五节 石油产品
--石油产品
-第一节 天然气基础知识
--天然气基础知识
-第二节 天然气分离与净化
--天然气分离与净化
-第三节 天然气化工利用
--天然气化工利用
-第四节 非常规天然气
--非常规天然气
-第一节 生物质基础知识
--生物质基础知识
-第二节 生物质制取燃料乙醇
-第三节 生物质基柴油制备
--生物质基柴油制备
-第四节 生物油的制取
--生物油的制取
-第五节 生物质制燃气
--生物质制燃气
-第一节 锂离子电池基础
--锂离子电池基础
-第二节 锂离子电池的正极材料
-第三节 锂离子电池的负极材料
-第四节 锂离子电池的其他组成部分
-第一节 燃料电池基础知识
--燃料电池基础知识
-第二节 燃料电池的分类
--燃料电池的分类
-第三节 氢气的制取
--氢气的制取
-第四节 氢气的运输和储存
--氢气的运输和储存
-第一节 超级电容器基础知识
-第二节 超级电容器的分类
--超级电容器的分类
-第三节 超级电容器的组成及特点
-第四节 超级电容器的电极材料
-第一节 二氧化碳与全球变暖
-第二节 二氧化碳减排与捕集技术
-第三节 二氧化碳捕集方法
--二氧化碳捕集方法
-第四节 二氧化碳利用与封存技术
