雙電層電容

超級(jí)電容器的類型比較多，按不同方式可以分為多種產(chǎn)品，以下作簡(jiǎn)單介紹。

按原理分為雙電層型超級(jí)電容器和贗電容型超級(jí)電容器:

雙電層型超級(jí)電容器，包括

1.活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過成型制備電極。

2.碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經(jīng)過增強(qiáng)，噴涂或熔融金屬增強(qiáng)其導(dǎo)電性制備電極。

3.碳?xì)饽z電極材料，采用前驅(qū)材料制備凝膠，經(jīng)過炭化活化得到電極材料。

4.碳納米管電極材料，碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優(yōu)良的超級(jí)電容器電極。

以上電極材料可以制成:

1.平板型超級(jí)電容器，在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級(jí)電容器，可以達(dá)到300V以上的工作電壓。

2.繞卷型溶劑電容器，采用電極材料涂覆在集流體上，經(jīng)過繞制得到，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。

贗電容型超級(jí)電容器:包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負(fù)極材料制備的超級(jí)電容器，導(dǎo)電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極，以此制備超級(jí)電容器。這一類型超級(jí)電容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它類型多處于研究階段，還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

按電解質(zhì)類型可以分為水性電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)類型:

水性電解質(zhì)，包括以下幾類

1.酸性電解質(zhì)，多采用36%的H2SO4水溶液作為電解質(zhì)。

2.堿性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強(qiáng)堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑。

3.中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。

有機(jī)電解質(zhì)

通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì)，有機(jī)溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機(jī)溶劑作為溶劑，電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度。

另外還可以分為:

1.液體電解質(zhì)超級(jí)電容器，多數(shù)超級(jí)電容器電解質(zhì)均為液態(tài)。

2.固體電解質(zhì)超級(jí)電容器，隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的發(fā)展，應(yīng)用于超級(jí)電容器的電解質(zhì)也對(duì)凝膠電解質(zhì)和PEO等固體電解質(zhì)進(jìn)行研究。

第一︰壽命長(zhǎng)，能維持?jǐn)?shù)百萬個(gè)充電循環(huán)的壽命。由于電容的充放電循環(huán)次數(shù)很多(百萬次或更多，與大部分市售的充電電池200-1000次相比)，電容可以在大多數(shù)設(shè)備的壽命內(nèi)持續(xù)使用，這使得設(shè)備變得更環(huán)保。充電電池通常壽命只有幾年，而且他們的高活性化學(xué)電解質(zhì)存在處理和安全上的隱患。雙電層電容器也可以與電池結(jié)合起到電荷調(diào)節(jié)功能，存儲(chǔ)來自其他能量源的能量已達(dá)到均衡負(fù)載的目的，然后使用充電電池，只要電容器未充滿，任何多余的能量都可以利用;

第二︰每個(gè)周期的平均成本低;

第三︰良好的可逆性;

第四︰充電和放電率非常高;

第五︰非常低的內(nèi)部電阻(ESR)和隨之而來的高周期效率(95%以上)和極低的放熱;

第六︰高輸出功率;

第七︰比功率高。根據(jù)ITS(交通研究學(xué)院，戴維斯，加利福尼亞)的測(cè)試結(jié)果，雙電層電容器的具體功率可超過6千瓦/千克，同時(shí)有著95%的效率[13];

第八︰使用無腐蝕性的電解質(zhì)和低毒性的材料，提高了安全性;

第九︰簡(jiǎn)單的充電方法，不必進(jìn)行過充檢測(cè)，因?yàn)闆]有過充的可能;

第十︰配合充電電池使用時(shí)，在某些應(yīng)用中電容可以在很短的時(shí)間內(nèi)提供能量，減少電池循環(huán)速率，延長(zhǎng)電池壽命。

第一︰電化學(xué)電池(3-5·W·H /千克為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的超級(jí)電容器每單位重量?jī)?chǔ)存的能量是一般較低，盡管85瓦時(shí)/公斤已在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)[4] 2010年相比， 30-40·W·H /公斤的鉛酸電池，100-250·W·H /公斤，鋰離子電池，約1/1萬分之一體積的汽油的能量密度;

第二︰具有最高的任何類型的電容器的介質(zhì)吸收;

第三︰高自放電 - 率大大高于電化學(xué)電池高;

第四︰最大的低電壓 - 系列連接需要，以獲得更高的電壓，電壓平衡可能需要;

第五︰與實(shí)際的電池，在任何電容，包括雙電層電容器，電壓顯著下降，因?yàn)樗呐欧?。能源的有效存?chǔ)和恢復(fù)需要復(fù)雜的電子控制和開關(guān)設(shè)備，隨之而來的能量損失。一個(gè)多電壓5.3 W EDLC的醫(yī)療設(shè)備電源的詳細(xì)論述了詳細(xì)的設(shè)計(jì)原則。它使用在約150秒共55 F的電容，收費(fèi)，運(yùn)行約60秒。電路采用開關(guān)模式穩(wěn)壓器，線性穩(wěn)壓器的清潔和穩(wěn)定的電力，減少約70%的效率。開關(guān)穩(wěn)壓器，降壓，升壓，降壓 - 升壓類型的討論，并得出結(jié)論，大不相同跨EDLC的降壓 - 升壓電壓是最好的，增加第二個(gè)最好，降壓不宜;

第六;非常低的內(nèi)部電阻允許極快速放電時(shí)短路，導(dǎo)致類似的任何其他類似的電壓和電容(一般比電化學(xué)電池)電容火花危險(xiǎn)。

超級(jí)電容器的工藝流程為:配料→混漿→制電極→裁片→組裝→注液→活化→檢測(cè)→包裝。

超級(jí)電容器在結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似，它們的主要區(qū)別在于電極材料。早期的超級(jí)電容器的電極采用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級(jí)電容器的容值可以非常大，大多數(shù)超級(jí)電容器可以做到法拉級(jí)，一般情況下容值范圍可達(dá)1-5000F。

超級(jí)電容器通常包含雙電極、電解質(zhì)、集流體、隔離物四個(gè)部件。超級(jí)電容器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)獲得超大的電容量的。在超級(jí)電容器中，采用活性炭材料制作成多孔電極，同時(shí)在相對(duì)的兩個(gè)多孔炭電極之間充填電解質(zhì)溶液，當(dāng)在兩端施加電壓時(shí)，相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子，而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上，從而形成雙集電層。

在一般情況下，雙電層電容器通過了納米材料的使用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣層，通常活性炭提高存儲(chǔ)密度。活性炭是一個(gè)非常多孔，"海綿"碳形式有一個(gè)非常高的比表面積 - 一個(gè)共同的近似是1克(鉛筆橡皮擦般大小的量)，有一個(gè)大約250平方米的表面面積大小 - 一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)。它通常是極其精細(xì)，但很"粗糙"的粒子，其中，散裝，形成許多小孔的低密度堆粉末。由于這種材料甚至是一層薄薄的表面積是許多倍，比傳統(tǒng)材料，如鋁，越來越多的電荷載體(電解質(zhì)的離子或自由基)可以存儲(chǔ)在一個(gè)給定的體積。由于碳是不是一個(gè)很好的絕緣體(與傳統(tǒng)設(shè)備所使用的優(yōu)良絕緣體)，一般雙電層電容器限于低2-3至五為了潛力，因此必須是"堆疊"(串聯(lián))，只是作為傳統(tǒng)電池必須提供更高的電壓。

活性炭是不是"完美"的申請(qǐng)材料。其實(shí)運(yùn)營(yíng)商的收費(fèi)(效果)相當(dāng)大，特別是由分子的包圍時(shí)，往往大于木炭留下的洞，這是接受他們太小，限制了存儲(chǔ)。

截至2010年，幾乎所有的商業(yè)超級(jí)電容器用粉末活性炭由椰子殼制成的。[引證需要]性能更高的設(shè)備是可用的，在一個(gè)顯著的成本增加，合成碳與氫氧化鉀(KOH)激活的前體的基礎(chǔ)上。

在雙電層電容器的研究主要集中在改進(jìn)的材料，提供更高的可用表面積。

石墨具有優(yōu)異的表面面積每單位重量或體積密度，高導(dǎo)電性，可以在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的，但不是在批量生產(chǎn)。特定的能量密度為85.6瓦/公斤，在室溫和136瓦時(shí)/公斤，在80℃(所有總電極重量計(jì)算)，在電流密度為1 A / G來衡量，已觀察到。這些能量密度值是鎳氫電池媲美。設(shè)備的充分利用，最高的內(nèi)在表面電容及單層石墨比表面積預(yù)備彎曲不重新堆疊面對(duì)面的石墨薄片。彎曲的形狀，使訪問和對(duì)環(huán)境無害的離子液體能夠在電壓> 4可濕性孔形成五。

碳納米管具有優(yōu)良的nanoporosity屬性，使聚合物的微小空間，坐在管中，并作為介質(zhì)。碳納米管可以存儲(chǔ)大約每單位面積，但碳納米管(這幾乎是純碳作為木炭相同的電荷)可以安排在一個(gè)更經(jīng)常的模式，公開更多合適的表面積。[16]電容器的碳納米管除了可以大大改善和提高雙電層電容器的性能。由于高表面積和高導(dǎo)電性的單壁碳納米管，這些碳納米管除了允許這些電容器優(yōu)化。[17]多壁碳納米管在電極孔，方便離子允許存在/電解質(zhì)界面。碳納米管薄薄的墻壁，允許在雙電層電容器的高電容。通過添加多壁碳納米管，這些電容器，電極的電阻可以降低。電容與多壁碳納米管纖維細(xì)胞有較高的電子和電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，比沒有這些碳納米管的細(xì)胞。這些納米管也有所改善電力電容器的能力。

ragone圖表顯示各種能源存儲(chǔ)設(shè)備能量密度vs.power密度

一些聚合物(如polyacenes和導(dǎo)電聚合物)隨著高表面積氧化還原(氧化還原)的存儲(chǔ)機(jī)制。

碳?xì)饽z提供了極高的表面積約400-1000平方米/克的重量密度。氣凝膠超級(jí)電容器的電極通常由碳纖維制成，并涂上有機(jī)氣凝膠，然后經(jīng)過裂解無紡紙的一種復(fù)合材料。碳纖維結(jié)構(gòu)的完整性和氣凝膠提供所需的表面積大。小氣凝膠超級(jí)電容器被用作微電子備份的電力儲(chǔ)存。氣凝膠電容只能工作在幾伏的高電壓電離的碳和損壞電容。碳?xì)饽z電容已經(jīng)達(dá)到325焦耳/克(90·W·H /公斤)的能量密度和功率密度20 W / G。

固體活性炭，也稱為綜合的無定形碳(CAC)。它可以有一個(gè)表面面積超過2800平方米/克，可能更便宜比氣凝膠碳生產(chǎn)。

可調(diào)多孔碳具有系統(tǒng)的孔徑控制。 H2的吸附處理，可用于增加能量密度高達(dá)75%以上是2005年商業(yè)。

礦物基碳1 nonactivated碳，合成金屬或非金屬碳化物，如碳化硅，議會(huì)，Al4C3。合成納米多孔碳，通常被稱為碳化物衍生碳(CDC)，有一個(gè)2000平方米/克，共約400平方米/克的表面面積比電容高達(dá)100架F /毫升(有機(jī)電解液)。截至2006年使用這種材料在超級(jí)電容器具有體積135毫升和200克的重量有1.6 KF電容。能量密度超過47千焦耳/ L，在2.85 V和功率超過20 W / G 密度

2007年8月研究人員結(jié)合與定向碳納米管的可生物降解的紙電池，鋰離子電池和超級(jí)電容器(稱為bacitor)旨在充當(dāng)。該設(shè)備采用本質(zhì)上是一種液體鹽，離子液體作為電解液?？梢跃砥鸬募垙?，扭曲，折疊，切或不完整或效率損失，或堆積，像普通的紙(或伏打電堆)，來提高總產(chǎn)量。他們可以在各種尺寸，從郵票到大報(bào)。其重量輕，成本低，使他們有吸引力的便攜式電子設(shè)備，飛機(jī)，汽車，玩具(如模型飛機(jī))，而他們的能力，使用血液中的電解質(zhì)，使他們潛在的有用的醫(yī)療器械，如心臟起搏器。

其他球隊(duì)正在嘗試與活化聚吡咯定制材料，碳納米管浸漬文件。

雙電層電容器的電容高達(dá)數(shù)千法拉2011年。

雙電層電容器的性能正在改善，新的研究進(jìn)展。

截至2011年，額定功率高達(dá)約5最大工作電壓雙電層電容器至五。

法拉電容器也是超級(jí)電容器.

法拉電容器屬于雙電層電容器，它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，其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。