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超级电容为什么“超级”?

2022-11-21 11:21:33

超级电容为什么“超级”?

       (EDLC,Electrochemical Double-Layer Capacitor)是一种电化学电容,之所以被称作“超级”电容,主要是因为它的高能量密度特点,与传统的电解电容相比,其容量高出几个量级。这个优势源于超级电容比较特殊的结构。

在传统的电容中,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得其累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量称为电容量。

而超级电容,可以简单地被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板。在电极板上加电,电解质中相反极性的离子就会在电极板两侧形成两个紧密的电荷层,近似于平板电容产生电容效应,达到储能的目的。

电极上形成的紧密电荷层间距比普通电容的电荷层间距小得多,而且由于电容储能容量的大小与电极的平面面积正相关,超级电容电极表面多采用多孔的活性炭材料,有效面积是光滑表面的数万倍,因此,超级电容的储存能量的能力(静电容量)远远大于传统的电容。

图1:典型超级电容示意图 (图片来源:维基网)1.电源,2.集电极,3.电极,4.Helmholtz层,5.电解液,6.分隔图片

超级电容没有传统的电介质,而是使用绝缘体隔开。这个绝缘层可以让电解液中的正负离子通过。该电解液本身不传导电子,所以当充电结束后,电容内部不会发生漏电;放电时,电极上的电子通过外部电路从一极流向另外一极,其结果是电极与电解液中的离子吸附显著降低,电解液中的正负离子又重新均匀分布开来。

这样特殊的架构,决定了超级电容和一般电容以及其它储能技术相比,在诸多性能方面都拥有可以任性的资本,以至于被冠以“超级”头衔。

                                                        表1:超级电容、电容和充电电池等储能技术对比图片

电容量:超级电容Z为“任性”的性能参数是电容量。超级电容的容量远超传统电容,一个标准电池大小的电解电容的容量为几十微法,同样大小的超级电容的容量范围在0.1F至几千F(甚至上万F),差别可达五个数量级。

充电速度:超级电容的充电速度极快,通常达到额定容量的95%只需要数秒至10分钟内即可,比电池充电时间小二至三个量级,秒杀充电电池。

超长寿命:超长的循环使用寿命也是超级电容Z为任性的参数之一。其充放电循环使用次数可达数十万次,高出充电电池两个数量级,并使得每个充放周期成本大大低于电池。而且,与二次电池相比,超级电容没有过充危险,没有“记忆效应”,电极也不会发生腐蚀。

功率密度:尽管超级电容的能量密度不及电池的一成,但是其功率密度却非常“任性”,高至电池的10至100倍。因为峰值大电流放电能力超强,充放电能量转换效率高。

此外,与充电电池相比,超级电容还有成本较低、放电电压恒定、外部电路简单、低温特性好、更环保等特点,因此在诸多储能应用中备受青睐。


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