超级电容的结构与工作原理

超级电容的正式名称是电化学电容(Electrochemical Capacitor),是一种介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的新型储能元件。超级电容采用了与传统电容器完全不同的储能方式,储能容量大幅度增加。超级电容器的电容量可以达到103～104法拉的量级,而普通电解质电容的电容量最大只能达到10－2法拉量级,两者相差10～100万倍。

图7-15　超级电容器结构和等效电路

超级电容是靠极化电解液来储存电能的一种新型储能装置。超级电容的结构和等效电路如图7-15所示,图中两个薄铝箱电极上均附着活性炭粉,两个电极之间采用纸质隔膜隔离并浸泡于电解液中,这些装置都被密封在铝罐中。

同一般的电容器相比,超级电容没有电解质,而是利用电双层的结构取代电解质,实现电解质的机能。当固体电极和液体电解液这两个不同形态的物质接触时,由于库仑力、分子间作用力(范德华力)和原子间作用力(共价力)的共同作用,电极表面的净电荷将从电解液中吸引部分带异种电荷的离子,使它们在电极和电解液接触的界面上,形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷相等而符号相反的界面层。从而形成一层电荷在电极上、一层在电解液中的符号相反的两个电荷层,称为双电层。通常状态下的超级电容,由于正极和负极采用相同的活性炭,因此没有电位差,不产生电动势。但是充电时有大量电子流向负极使负极带负电,而在靠近负电极的溶液中就汇集了与此数量相等的正离子。正极与此相反,汇集负离子,超级电容的储能机制就是这些离子在电解液中的不同位置变化,当电容充电时,离子聚集在电极周围;放电时,离子回到溶液中处于自由状态。充电储能的多少由聚集在电极的离子多少来决定。所以超级电容的工作过程是物理过程,中间没有化学反应发生。

如果用电路符号来等效超级电容,则正极、负极上的双电层各自等价于一个电容,可理解为通过电解液串联。

图7-16　双电层电容器电荷与电位分布图

如图7-16所示,超级电容的电容量由双电层的电容量决定,双电层的电容量为

式中,为电极与电解液之间的双电层之间的电位差;为从零电荷算起的电极电位。

电容器能存储的最大能量为

式中,为电容器的最大工作电压。

由于超级电容与传统电容相比,储存电荷的面积大得多,电荷被隔离的距离小得多,一个超级电容单元的电容量高达1F(法拉)至几万F。而且由于采用特殊的工艺,超级电容的等效电阻很低。电容量大和内阻小,使得超级电容可以有很高的尖峰电流,因此具有很高的比功率,高达蓄电池的50～100倍,可达到10k W/kg左右,该特点使超级电容非常适合短时大功率的应用场合。