当前课程知识点：能源化学工程概论 > 第八章 超级电容器 > 第三节 超级电容器的组成及特点 > 超级电容器的组成及特点
大家好
我们接着来进行超级电容器部分的知识讲解
本节课学习的内容为
超级电容器的组成及特点
超级电容器主要有两种结构形式
一种是三明治叠层结构的纽扣式电容器
另一种则为将电极片
和隔膜卷绕起来形成的卷绕式电容器
两种电容器各有优缺点
卷绕式电容器的电极易于制备
且可以容纳大面积电极
但其封装密度低
多个电容器单元串联时占用的空间较大
难以在较小的体积内获得较高的工作电位
纽扣式电容器的封装密度高
且形状和结构便于串联
但难以容纳大面积电极
以卷绕式电容器为例
超级电容器主要包括以下几个部分
工作电极 电解液 隔膜以及集流体
此外 还有外壳 引线等附件
通常将与电解液不反应
只在与电解液相交的界面上
产生电荷存储的电极称为工作电极
超级电容器中的工作电极
起着产生双电层积累电荷的作用
是双电层电容器的关键部分
进而言之
电极包括电极活性物质和集流体两部分
电化学活性物质是电极的核心组分
是进行化学能与电能之间转换的物质
按照储能机理的不同
主要为双电层电容器电极的碳材料
赝电容电极的金属氧化物材料
以及混合型电极材料
集流体的作用是降低电极的内阻
要求它与电极接触面积大
接触电阻小
且耐腐蚀性强
在电解质中性能稳定
集流体的选择主要是依据所采用的电解质
通常 酸性电解质用钛材料
碱性电解质用镍材料
而有机电解液可以使用廉价的铝箔材料
电解液是超级电容器的重要组成部分
目前 有机超级电容器采用的
电解质主要是四氟硼酸或六氟磷酸的季铵盐
而混合超级电容器用锂盐做电解质
包括水系 有机体系 离子液体等电解质
有机电解液相比无机电解液
具有较高的分解电压
通常在2-4V
因为储存能量随电压的平方而增加
高的分解电压有利于获得高的能量密度
但是其电导率相比水系电解液要小很多
因而电阻较大
水系电解液即无机电解液
包括酸性电解液
碱性电解液和中性电解液
其中酸性电解液通常使用
百分之36的硫酸水溶液
碱性电解液采用氢氧化钾
或氢氧化钠的水溶液
而中性电解液多使用氯化钾
氯化钠及硫酸钠等盐溶液
水系电解液比有机系电解液的导电率大很多
但其分解电压一般小于1.2V
此外
强酸强碱性电解液具有强的腐蚀性
易于腐蚀集流体造成安全隐患
隔膜在超级电容器中
起着防止正负极短路
同时在充放电过程中
提供离子运输通道的作用
其性能直接影响超级电容器的容量
及循环稳定性等
目前常用的隔膜材料有聚丙烯PP膜
聚乙烯PE膜等
而市场主要被日本高度纸业NKK公司
和美国卡尔格德公司所垄断
粘结剂又称粘合剂
一般为高分子聚合物
亦是化学电源正负极的重要组成部分
在电极中
粘结剂的主要作用是粘结和保持活性物质
加入适量的性能优良的粘结剂
可以获得较大的容量
较长的循环寿命等
对提高电容器的大电流放电能力
提高快充能力均有促进作用
聚乙烯醇 聚偏氟乙烯 聚丙烯酸
及聚四氟乙烯
为超级电容器电极材料最常用的粘结剂
在超级电容器组成介绍的基础上
我们接着学习与它相关的性能指标
能量存储元件的性能
一般包括能量密度 功率密度 使用寿命
可逆性及生产成本等
此外 在超级电容器中
亦需注意其等效串联电阻
一般来说
超级电容器的电容量
反应了其存储电荷的能力
主要取决于所选用的
电极材料的本征特性
比电容是超级电容器单位质量的电容值
其单位为法拉每克
测量方法一般有循环伏安法
和恒流充放电法
其中
循环伏安法在电极电位内
以不同扫速扫描
使其随着时间推移以三角波的形式
进行一次或多次反复扫描
记录电流随电势变化情况
根据曲线的形状可直观判断
电极表面的电化学行为
恒流充放电法在使被测电容器
或电极在恒电流的条件下充放电
考察其电位随时间的变化规律
继而可计算比电容
能量密度
直接反应电容器储存电荷的能力
当然作为储能元件
寄望超级电容器的
储能密度越高越好
超级电容器的理论能量密度E
与其工作电位的二次方呈正比关系
所以在提高电容器能量密度方面
提高工作电压比提高电容值更为有效
功率密度决定超级电容器
快速充放电的能力
较高的功率密度
有利于实现电容器大电流
快速存储 释放能量
其计算公式为
功率密度P等于放电电流I与工作电压窗口U的乘积
除以活性电极材料的质量m
循环寿命在评价电容器的性能方面尤其重要
在能量存储应用领域
器件一般需要满足
一百万次以上的充放电循环
而高的使用寿命会增加存储系统的成本
电化学电容器的优势就在于
它主要依靠物理的或者
近表面电极材料法拉第赝电容存储能量
因此在理论上不会受到循环寿命的限制
但在实际应用中
由于各种电阻的存在
尤其是赝电容超级电容器
会大大降低其循环稳定性
因而降低内阻成为超级电容器
发展的另一个重要的挑战
此外电容器的
等效串联电阻作用不可忽视
理论上一个完美的电容
自身不会产生任何能量损失
但是实际上
因为制造电容的材料有电阻
电容的绝缘介质有损耗
各种原因导致电容变得不“完美”
这个损耗在外部
表现为就像一个电阻
跟电容串联在一起
所以称为“等效串联电阻”
缩写为ESR
一般而言
具有低等效串联电阻的电容
往往具有更好的性能指标特性
好的
本节课主要介绍了超级电容器的组成
特点 及相关性能指标
本节内容到此结束
-第一节 课程概述
--课程概述
-第二节 课程基本知识
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-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
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--石油概述
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-第三节 石油二次加工
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--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
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-第四节 生物油的制取
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-第五节 生物质制燃气
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-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