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超级电容器工作原理
超级电容器既拥有与传统电容器一样较高的放电功率,又拥有与 电池
一样较大的储存电荷的能力。但因其放电特性仍与传统电容器更 为相似,
所以仍可称之为 电容 。到现在为止,对于超级电容器的 名称还没有统一
的说法,有的称之为 超电容器 ,有的称之为 电化 学电容器 双电层电容
器 ,有的还称之为 超级电容器 ,总之名 称还不统一。但是有人提出根据
其储能机理,分为双电层电容器(靠 电容器(靠快速可逆的化学吸■脱
类。
电极■电解质界面形成双电层)和廣 附或氧化■还原反应产生廣电容)两
(一)双电层电容器的基本原理
双电层电容器是利用电极材料与电解质之间形成的界面双电层
来存储能量的一种新型储能元件。 当电极材料与电解液接触时, 由于 界面间
存在着分子间力、 库仑力或者原子间力的相互作用, 会在固液 界面处出现界
面双电层, 是一种符号相反的、 稳定的双层电荷。 对于 一个电极 ? 溶液体系
来说,体系会因电极的电子导电和电解质溶液的 离子导电而在固液界面上
形成双电层。 当外加电场施加在两个电极上 后, 溶液中的阴、阳离子会在电 场的作用下分别向正、 负电极迁移, 而在电极表面形成所谓的双电层; 当外 加电场撤销后, 电极上具有的 正、 负电荷与溶液中具有相反电荷的离子会互 相吸引而使双电层变得 更加稳定,这样就会在正、负极间产生稳定的电位
差。
在体系中对于某一电极来说,会在电极表面一定距禹内产生与电 极上
的电荷等量的异性离子电荷,来使其保持电中性;当将两极和外 电源连接
时,由于电极上的电荷迁移作用而在外电路中产生相应的电 流,而溶液中
离子迁移到溶液中会呈现出电中性,这就是双电层电容 器的充放电原理。
从理论上说,双电层中存在的离子浓度要大于溶液本体中离子浓 度,
这些浓度较高的离子受到固相体系中异性电荷吸引的同时,还会 有一个扩
散回溶液本体浓度较低区域的趋势。电容器的这种储能过程
为它是通过将电解质溶液进行电化学极化实现的,整个
化学反应。双电层电容器的工作原理如下图所示:
是可逆的,因
过程并没有产生电
a (
双电层电容器工作原理图
(a )无外加电源时电位 ; (b) 有外加电源时电位
1— 双电层 ; 2— 电解液 ; 3— 极化电极 ;4— 负载
( 二)法拉第准电容器的基本原理
法拉第准电容器是在双电层电容器后发展起来的,有人将其简称 为准
电容。这种电容的产生是因为电极活性物质在其表面或者体相中 者准二维空间上,进行了欠电位的沉积作用,而发生了化学
化还原反应。
的二维或 吸脱附或是氧
对法拉第准电容来说,它的电荷储存过程包括双电层上的存储和 由于 氧化还原反应电解液中离子在电极活性物质中将电荷储存于电 极中这两部
分。在电极表面会发生法拉第廣电容,这与双电层电容器 电荷存储机制是
完全不同的,其中一个原因是电荷存储是一个法拉第 廣电容的出现还与其他因素有关,这些关系可能 (Aq) 和电势变化 (AV) 之间的热力学因素。
化学吸■脱附机制的过程一般为:电解液中的
过程,另一个原因是 源于电极接受电荷的程度
H+或 OH-离子( 一 般
为这两种 )会在外加电场的作用下,从溶液中迁移到电极材料表面, 然后通
过电极 ? 电解液的界面电化学作用进入到电极活性物质的体 相中。当对其
充电时,法拉第准电容器原理如下图所示:
一十e
一十
e
血- 瓦\
S~\ E.-E,
耳 - 町充电状态正极电位 位 - 比充
电状态负极电位
法拉第准电容器充电时原理图
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