法拉第電容

法拉第電容結(jié)構(gòu)上的具體細節(jié)依賴于對法拉第電容的應(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。所有法拉第電容的共性是，他們都包含一個正極，一個負極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。

法拉第電容的結(jié)構(gòu)如圖1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)進行選擇。

圖1 法拉第電容的基本結(jié)構(gòu)

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。

法拉第電容的部件從產(chǎn)品到產(chǎn)品可以有所不同。這是由法拉第電容包裝的幾何結(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展。

超級電容器電極法拉第電容器電極 2.法拉第電容的工作原理

由于儲能機理的不同，人們將法拉第電容分為:(1)基于高比表面積電極材料與溶液問界面雙電層原理的雙電層電容器;(2)基于電化學(xué)欠電位沉積或氧化還原法拉第過程的贗電容器。贗電容與雙電層電容的形成機理不同，但并不相互排斥。大比表面積準電容電極的充放電過程會形成雙電層電容，雙電層電容電極(如多孔炭)的充放電過程往往伴隨有贗電容氧化還原過程發(fā)生，實際的電化學(xué)電容通常是兩者共存的宏觀體現(xiàn)，要確認的只是何者占主要的問題。實踐過程中，人們?yōu)榱诉_到提高電容器的性能，降低成本的目的，經(jīng)常將贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合使用，制成所謂的混合電化學(xué)電容器?；旌想娀瘜W(xué)電容器可分為兩類，一類是電容器的一個電極采用贗電容電極材料，另一個電極采用雙電層電容電極材料，制成不對稱電容器，這樣可以拓寬電容器的使用電壓范圍，提高能量密度;另一類是贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合組成復(fù)合電極，制備對稱電容器。

一對浸在電解質(zhì)溶液中的固體電極在外加電場的作用下，在電極表面與電解質(zhì)接觸的界面電荷會重新分布、排列。作為補償，帶正電的正電極吸引電解液中的負離子，負極吸引電解液中的正離子，從而在電極表面形成緊密的雙電層，由此產(chǎn)塵的電容稱為雙電層電容。雙電層是由相距為原子尺寸的微小距離的兩個相反電荷層構(gòu)成，這兩個相對的電荷層就像平板電容器的兩個平板一樣。Helmholtz首次提出此模型。如圖2所示。

能量是以電荷的形式存儲在電極材料的界面。充電時，電子通過外加電源從正極流向負極，同時，正負離子從溶液體相中分離并分別移動到電極表面，形成雙電層;充電結(jié)束后，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。在放電時，電子通過負載從負極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負離子從電極表面被釋放進入溶液體相呈電中性。

雙層電容器工作原理

對于一個對稱的電容器(相同的電極材料)，電容值為:

公式1

C1和C2分別為兩個電極的電容值。單電極的電容計算公式:

公式2

其中:ε為雙電層中的介電常數(shù)，A為電極的表面積，t是雙電層的厚度。

雙電層的能量及功率密度可通過下式分別計算得到(R為等效電阻):

公式3 公式4

根據(jù)以上兩個公式可知:電容器工作電壓的增大可以顯著地提高功率密度和能量密度。

法拉第贗電容器也叫法拉第準電容，是在電極表面活體相中的二維或三維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。這種電極系統(tǒng)的電壓隨電荷轉(zhuǎn)移的量呈線性變化，表現(xiàn)出電容特征，故稱為"準電容"，是作為雙電層型電容器的一種補充形式。法拉第準電容的充放電機理為:電解液中的離子(一般為H+或OH-)在外加電場的作用下向溶液中擴散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學(xué)反應(yīng)進入到電極表面活性氧化物的體相中;若電極材料是具有較大比表面積的氧化物，就會有相當多的這樣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，大量的電荷就被存儲在電極中。放電時這些進入氧化物中的離子又會重新回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路釋放出來。

在電極的比表面積相同的情況下，由于法拉第贗電容器的電容在電極中是由無數(shù)微等效電容電路的網(wǎng)絡(luò)形式形成的，其電容量直接與電極中的法拉第電量有關(guān)，所以法拉第贗電容器的比電容是雙電層電容器的10-100倍，是對法拉第贗電容的研究工作成為一個重點開展的方向。

法拉第電容又稱超級電容器、雙電層電容器、黃金電容，是一種新型的儲能原件，它兼有物理電容器和電池的特性，能提供比物理電容器更高的能量密度，比電池具有更高的功率密度和更長的循環(huán)壽命，并且這種電容器己在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和實際應(yīng)用。如在考慮到環(huán)保需要而設(shè)計開發(fā)的電動汽車和復(fù)合電動汽車的動力系統(tǒng)中，若單獨使用電池將無法滿足動力系統(tǒng)的要求，然而將高功率密度電化學(xué)電容器與高能量密度電池并聯(lián)組成的混合電源系統(tǒng)既滿足了高功率密度的需要，又滿足了高能量回收的需要。高能量密度、高功率密度的電化學(xué)電容器正在成為人們研究的熱點。

超級電容器(supercapacitor,ultracapacitor)， 又叫電化學(xué)電容器(Electrochemical Capacitor, EC)、黃金電容、法拉第電容;包括雙電層電容器(Electrostatic double-layer capacitor)和贗電容器(Electrochemical pseudocapacitor),通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件、儲能過程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個電容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

超級電容器是建立在德國物理學(xué)家亥姆霍茲(1821~1894)提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。

它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離要小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。

雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大，因此，可在無負載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過電壓充電的情況，雙電層電容器將會開路而不致?lián)p壞器件，這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時，雙電層電容器與可充電電池相比，可進行不限流充電，且充電次數(shù)可達10^6次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。