| 淺談超級電容器的工作原理、優缺點和生產組裝工藝 |
| 2019-12-26 |
超級電容器是使用碳和石墨烯納米技術制造的，據稱其存儲和釋放電能的速度比鋰離子電池快得多。作為一種新型儲能元器件，以其能量密度高、充放電速度快、循環壽命長等優異性能而越來越受到人們的廣泛關注。下面賢集網小編整理了超級電容器的工作原理、優缺點、生產組裝工藝一系列知識，供大家學習。 超級電容器概述： 超級電容，又名電化學電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同于傳統的化學電源，是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。
超級電容器之所以稱之為“超級”的原因： 1、超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。 2、傳統電容器的面積是導體的平板面積，為了獲得較大的容量，導體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結構來增加它的表面積。傳統電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。 3、超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結構允許其面積達到2000m2/g，通過一些措施可實現更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質離子尺寸決定的。該距離(<10Å)和傳統電容器薄膜材料所能實現的距離更小。 4、超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。 5、龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。 超級電容器的工作原理 超級電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件。當電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力及原子間力的作用，使固液界面出現穩定和符號相反的雙層電荷，稱其為界面雙層。把雙電層超級電容看成是懸在電解質中的2個非活性多孔板，電壓加載到2個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。雙電層電容器根據電極材料的不同，可以分為碳電極雙層超級電容器、金屬氧化物電極超級電容器和有機聚合物電極超級電容器。超級電容器的電化學原理 一個電極和其電解液界面的電行為類似于一個電容器。發生在電極電解液界面的靜電作用力導致產生了人們常說的雙電層電容。有別于一個真正的電容器，這個電容是依賴于通過它的電壓。基于雙電層電容的電容器有非常長的充放電循環壽命，因為當充放電時只有靜電荷儲存和轉移發生，并沒有不可逆的反應或化學相變發生。這也是為什么雙電層超級電容器的循環充放電壽命大大地優于一般可充電池。 贗電容是電吸附過程伴隨氧化還原反應引發的電容。這個法拉第電荷與提供的電壓是線性的關系，因此這個電極的電化學行為等同于一個電容器。這個電容是法拉第（感應電流）引發而非靜電引發，不同于雙電層電容，所以被叫做贗電容。典型的贗電容活性材料包括過渡金屬氧化物和導電聚合物，都是半導體氧化還原材料。當一個氧化還原反應的產物和反應物被吸附在電極表面時，表面膜可以被充放電且沒有膜上電活性組分的解吸。圖1展示了一個理想贗電容電容器的電流電位圖。它復制了雙電容行為的電流電位圖的形狀。很明顯，這個圖跟很多可逆氧化還原過程的電流電位圖相比有明顯區別，雖然都是法拉第的過程。原因就是價電子的局域化和解局域化效應。 基于能帶理論，當具有大的原子間距，電子能態作為絕緣分子和絕緣體存在時，填充和空穴態的能級是單一的。一些化學修飾電極就是這種情況，在電極上電子轉移過程發生在非常好的分離的氧化還原活性部位，他們之間沒有交互。換句話說，這些氧化還原活性是局部的，在能態上相等或十分接近，所以在這些電位下可接受或捐贈的電子是非常接近彼此的，在電流電位圖中就展示出一個明顯地氧化還原峰。相反地，對于贗電容材料，在電極表面層，這些氧化還原活性部位位置接近且有交互，表現出一個很寬的能態形式。這種情況也就是包括大多數過渡金屬氧化物和具有共軛化學鍵導電聚合物的半導體材料在氧化還原時的能態情況。因此贗電容材料在工作電位范圍的電位電流圖應該是長方形的，并非在很多文獻中描述得有明顯氧化還原峰的波段式圖形。
圖1典型的贗電容電子傳遞的電流電位圖 超級電容器的優缺點 超級電容器在使用過程中并非每一個方面都是優越的，這就要求在運用超級電容器時能熟練掌握該裝置的優缺點。受到制造技術的限制，我國在使用超級電容器時還存在安裝、調試等方面的不足。不少設備因盲目使用超級電容器造成電路故障，影響了整個設備性能的發揮。作為電容器的新產品，超級電容器呈現出來的優點要顯著大于缺點。
優點： 超級電容器是普通電容裝置的升級，在對早期的電容器實施了多個方面的改良。主要優點在：①電容量。早期使用的常規電容器，電容存儲量較小，僅能滿足小負荷的電路需求;而超級電容器的電容量級別可達到法拉級，能適合更復雜的電路運行需要。②電路。超級電容器對電路結構的要求較低，不需要設置特殊的充電電路、控制放電電路，且電容器的使用時間不會受到過充、過放的影響。③焊接。普通電容器無法進行焊接，在安裝超級電容器時可根據需要進行焊接處理，防止了電池接觸不良等現象的發生，提高了電容器元件的使用性能。
缺點： 通過對超級電容器的性能測試，筆者發現這種新型電容器也存在缺點。如：①泄漏。超級電容器安裝位置不合理，容易引起電解質泄漏等問題，破壞了電容器的結構性能。②電路。超級電容器僅限于直流電路的使用，這是由于與鋁電解電容器相比，超級電容器的內阻更大，不適合交流電路的運行要求。③價格。由于超級電容器是新一代高科技產品，其剛剛推向市場時價格相對較高，增加了設備運行的成本投入。
與蓄電池和傳統物理電容器相比，超級電容器的特點主要體現在： (1)功率密度高。可達102～104 W/kg，遠高于蓄電池的功率密度水平。 (2)循環壽命長。在幾秒鐘的高速深度充放電循環50萬次至100萬次后，超級電容器的特性變化很小，容量和內阻僅降低10%～20%。 (3)工作溫限寬。由于在低溫狀態下超級電容器中離子的吸附和脫附速度變化不大，因此其容量變化遠小于蓄電池。商業化超級電容器的工作溫度范圍可達-40℃～+80℃。 (4)免維護。超級電容器充放電效率高，對過充電和過放電有一定的承受能力，可穩定地反復充放電，在理論上是不需要進行維護的。 (5)綠色環保。超級電容器在生產過程中不使用重金屬和其他有害的化學物質，且自身壽命較長，因而是一種新型的綠色環保電源。
超級電容器生產組裝工藝 步驟（1），氮摻雜碳電極材料的制備，將0.5-1mL苯胺單體和0.3-0.6g過二硫酸銨分別溶解在于0℃預冷過的摩爾濃度為1mol/L的酸溶液中，攪拌至完全溶解后將兩種溶液充分混合形成混合溶液，將商業三聚氰胺海綿浸泡于上述混合溶液中，然后置于冰箱中冷藏保存，經過24h氧化聚合在三聚氰胺海綿表面覆蓋了深綠色的聚苯胺，將聚合反應后的三聚氰胺海綿用去離子水洗滌至中性，于60℃干燥，然后轉移至管式爐中在氮氣氣氛下于600-900℃煅燒1-6h，自然冷卻至室溫后依次用去離子水和乙醇洗滌并干燥得到氮摻雜碳材料； 步驟（2），氧化還原活性電解液的配制，將碘化鉀固體溶于50mL摩爾濃度為1mol/L的酸性溶液中形成氧化還原活性電解液，其中碘化鉀的摩爾濃度為0.01-0.1mol/L；、 步驟（3），超級電容器的制作，將步驟（1）制得的氮摻雜碳材料與導電劑和粘結劑按85:10:5的質量比制成漿料，將漿料均勻刮涂在不銹鋼集流體表面，控制其活性面積為1cm2，將兩個質量及活性面積均相等的電極用親水性玻璃纖維隔膜隔開組裝成對稱電極，浸泡于步驟（2）配制的氧化還原活性電解液中制成基于催化活性氮摻雜碳電極和氧化還原活性電解質的超級電容器。 步驟（1）中所述的酸溶液為硫酸溶液或鹽酸溶液。 步驟（2）中所述的酸性溶液為硫酸溶液或磷酸溶液。 步驟（3）中所述的導電劑為乙炔黑，所述的粘結劑為聚四氟乙烯。 制備的氮摻雜碳電極材料選用商業三聚氰胺海綿與苯胺作為反應原料，目的在于利用前者三維網狀交聯結構以及強大的吸附能力，在其多孔網絡骨架表面均勻沉積聚苯胺，兩者均有較高氮含量，煅燒處理可以獲得氮含量高達11%的氮摻雜碳材料，而且這類碳材料未經任何活化處理就具有較大的比表面積以及良好的表面親水性，能提供較高電極比容；同時在酸性電解質中添加氧化還原活性成分KI，在充放電過程中受電極催化，形成I3-/I-，I2/I-氧化還原電對，不同價態碘之間能發生可逆氧化還原反應，因而能夠提供額外的贗電容，與單純的酸性電解質相比，超級電容器電極比容能提高3倍以上。 以上就是關于超級電容器的工作原理、優缺點、生產組裝工藝的知識介紹，超級電容器可以集成到鋰離子電池中，以提供即時電力以提高性能，同時減少主電池執行的充電和放電循環次數，從而延長其使用壽命。 |
