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超級電容器的結(jié)構(gòu)和特性

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2022-02-21 10:07 ? 次閱讀
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超級電容器的結(jié)構(gòu)

超級電容器結(jié)構(gòu)上的具體細(xì)節(jié)依賴于對超級電容器的應(yīng)用和使用。由于制造商或特定的應(yīng)用需求,這些材料可能略有不同。所有超級電容器的共性是,他們都包含一個正極,一個負(fù)極,及這兩個電極之間的隔膜,電解液填補(bǔ)由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。

超級電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示.是由高比表面積的多孔電極材料、集流體、多孔性電池隔膜及電解液組成。電極材料與集流體之間要緊密相連,以減小接觸電阻;隔膜應(yīng)滿足具有盡可能高的離子電導(dǎo)和盡可能低的電子電導(dǎo)的條件,一般為纖維結(jié)構(gòu)的電子絕緣材料,如聚丙烯膜。電解液的類型根據(jù)電極材料的性質(zhì)進(jìn)行選擇。

上圖中各部分為:(1):聚四氟乙烯載體;(2)(4):活性物質(zhì)壓在泡沫鎳集電極上;(3):聚丙烯電池隔膜。

超級電容器的部件從產(chǎn)品到產(chǎn)品可以有所不同。這是由超級電容器包裝的幾何結(jié)構(gòu)決定的。對于棱形或正方形封裝產(chǎn)品部件的擺放,內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基于對內(nèi)部部件的設(shè)置,即內(nèi)部集電極是從每個電極的堆疊中擠出。這些集電極焊盤將被焊接到終端,從而擴(kuò)展電容器外的電流路徑。

對于圓形或圓柱形封裝的產(chǎn)品,電極切割成卷軸方式配置。最后將電極箔焊接到終端,使外部的電容電流路徑擴(kuò)展。

超級電容的特性

超級電容器使用過程中是沒有任何的化學(xué)反應(yīng),也沒有高速旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動;對于環(huán)境沒有污染,也沒有任何的噪聲;它的結(jié)構(gòu)簡單、體積小,是非常理想的儲能設(shè)備。

超級電容產(chǎn)品具有如下技術(shù)特性:

(1)充電速度快。充滿其額定容量的95%以上僅需10秒~10分鐘;

(2)循環(huán)壽命長。深度充放電循環(huán)可達(dá)1~50萬次,例如,北京合眾匯能公司生產(chǎn)的HCC250F/2.7V的超級電容器和北京集星科技公司生產(chǎn)的系列電容的循環(huán)壽命均在50萬次以上;

(3)能量轉(zhuǎn)換效率高。大電流能量循環(huán)效率》90%;

(4)功率密度高。可達(dá)300W/kg—50000W/kg,為蓄電池的5~10倍;

(5)原材料生產(chǎn)、使用、存儲及拆解過程均無污染,是理想的綠色環(huán)保電源;安全系數(shù)高,長期使用免維護(hù);

(6)高充放電效率。由于內(nèi)阻很小,所以充放電損耗也很小,具有很高的充放電效率,可達(dá)90%以上。

(7)溫度范圍寬。達(dá)-40~+70℃。超級電容器電極材料的反應(yīng)速率受溫度影響不大;

(8)檢測控制方便。剩余電量可通過公式E=CV2/2直接算出,只需要檢測端電壓就可以確定所儲存的能量,荷電狀態(tài)(SOC)的計算簡單準(zhǔn)確,因此易于能量管理與控制。

超級電容器工作原理

超級電容器基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬,是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。

根據(jù)儲能機(jī)理的不同可以分為以下兩類:

1、雙電層電容:

是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產(chǎn)生的。對一個電極/溶液體系,會在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。當(dāng)在兩個電極上施加電場后,溶液中的陰、陽離子分別向正、負(fù)電極遷移,在電極表面形成雙電層;撤消電場后,電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定,在正負(fù)極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。這時對某一電極而言,會在一定距離內(nèi)(分散層)產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷,使其保持電中性;當(dāng)將兩極與外電路連通時,電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流,溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性,這便是雙電層電容的充放電原理。

2、法拉第準(zhǔn)電容:

其理論模型是由Conway首先提出,是在電極表面和近表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上,電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積,發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對于法拉第準(zhǔn)電容,其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲,而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時,會通過界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中,從而使得大量的電荷被存儲在電極中。放電時,這些進(jìn)入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中,同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來,這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。

來源:硬件十萬個為什么
審核編輯:何安

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