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有容乃大的超级电容

时间:2017-06-25 13:49 来源:网络整理 作者:采集侠 点击:

文 | 传感器技术(WW_CGQJS)

当今世界,随着现代科技的快速发展,市场上逐渐涌现出一批新概念的电子产品,如可弯折手机、智能化耳机、微型化传感器等微系统。而这些柔性化、微型化的智能电子产品的出世,带动了其配套的芯片储能器件的发展,微型超级电容器应运而生。

有容乃大的超级电容

什么是超级电容器

超级电容器(supercapacitor)是指相对传统电容器而言具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来储存能量。是介于电容器和电池之间的储能器件,它既具有电容器可以快速充放电的特点,又具有电池的储能特性。

超级电容器,又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容。它与普通电容的最大区别是它是一种电化学的物理部件,但本身并不进行化学反应,超级电容的储电量特别大,达到法拉级的电容量。(还有一大类是法拉第准电容,但是化学储能,所以储能可以深入到电极内部,而且高度可逆,储能比双层电容器高,但是功率密度低。)

有容乃大的超级电容

普通电容器:

两个绝缘并且靠近的导体——极板,中间夹一个绝缘物质——电介质,两条引线。

冲电时不显示级性(无正负级),电容器的2个极板与电源相连时,电路中有电流通过,使电容器的2个极板分别带上等量异种电荷。

有容乃大的超级电容

超级电容器工作原理:

当外界电压加到超级电容器的两个极板上时,和普通电容器一样,极板的正电极储存正电荷,负极板储存负电荷。在超级电容器的2个极板的上电荷电场的作用下,在电解液与电极之间的界面上形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场。

正电荷和负电荷以极端的间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫双电层。超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料,这种材料的多孔结构,允许其面积接近2000平方米每克。

电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm,因此电容量非常大。大多数超级电容器可以做到法拉级别,一般电容的值为1F-5000F。

有容乃大的超级电容

随着超级电容器放电,正,负极板上的电荷被外电路泄放,电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出,超级点容器的冲放电过程始终是物理过程,没有化学反应。因此充放电寿命很长,可以达到50w次以上。

有容乃大的超级电容

优点:

1,电容量大。电极接触面积大。容量很容易超过1F。比普通电容器提升了3-4个数量级。目前单体超级电容器最高可以达到5000F。

2,超长寿命,充放电大于50万次,是Li-Ion电池的500倍,是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍,如果对超级电容每天充放电20次,连续使用可达68年。

3,功率密度大。可以瞬间提供高电流。超低串联等效电阻(LOW ESR),功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十倍以上,适合大电流放电,(一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上,2700F的超级电容器放电流不低于950A,最高可以到达1680A)。

4,可以在数10秒到数分钟内快速充电。

5,可以在很宽的温度下工作(-40摄氏度-+70摄氏度)低温性能优越。超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行,所以容量随温度衰减非常小。电池在低温下容量衰减幅度却可高达70% 。

6,产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源。

7,超级电容可以串并联组成成超级电容模组,可耐压储存更高容量。

缺点:

1,能量密度通常还是要低于化学电池。虽然2010年实验室中已经可以达到85W.h/kg,而锂电池最高可以达到100-250W.h/kg。

2,自放电率比其他的电化学电池高。

3,电压会随着放电下降,造成能量损失。超级电容器2端通常需要与一个DC/DC变换器相连,以保证输出电压的稳定。

4,最大电压比较低:

超级电容器的储能为:Q=0.5*C*U^2(单位:焦耳),因为现在超级电容器的耐压值都偏小,所以能量密度太低,一般还是和蓄电池混合使用。

石墨烯超级电容器

石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性,诸如异常高的导电性和大比表面积,石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比,在能量储存和释放的过程中,显示了一些新颖的特征和机制。

有容乃大的超级电容

层层堆叠阻碍石墨烯,片层的双电层作用的发挥

石墨烯是一种二维的碳材料,将有序排列的、蜂窝状、层层堆叠形成的石墨,剥离成单层的薄片时,这种只有一个碳原子厚度的单层石墨就被称为石墨烯。

这种单原子厚度的石墨烯不仅具有超高比的表面积,同时,石墨本身良好的平面六边形点阵有利于电子的自由移动,从而使其具有超高的导电性,因此被广泛地应用于电极材料的研究中。

尤其是对于平面化微型超级电容器来说,利用石墨烯作为电极材料能够充分利用石墨烯的优势,不仅能够进一步降低整个器件薄度、减小体积,同时实现了电解液离子的快速迁移,从而实现电荷的高能量存储。