超级电容器结构

超级电容器

电极材料
电极材料是影响超级电容器性能的重要因素。为了进一步提高超级电容器的容量和循环寿命，最主要的是开发新的高比容量，高比功率的电极材料。超级电容器的电极材料可以分为以下几类:炭电极材料，金属氧化物电极材料，导电聚合物电极材料，复合电极材料。
碳电极材料
目前已经开发用在双电层电容器上的碳材料有:活性炭粉末、活性碳纤维、碳纳米管、膨胀性石墨、碳气凝胶、炭黑和石墨烯等。炭材料的性质中最为关键的几个影响因素为炭材料的表面积和粒径分布，炭材料的电学稳定性，炭材料的导电率。
在沿海岛屿、边远山区，地广人稀的草原牧场等地方，风能和太阳能可作为解决生产和生活能源的一种可靠途径。然而，这些能源还不能稳定地供给。将超级电容器与风力发电装置或太阳能电池组成混合电源，超级电容器在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能量以电能的形式存储起来，在夜晚或风力较弱时放电，可解决上述问题。
超级电容器还可用作汽车的主电源。
（4）工业领域
超级电容器在工业不间断电源(UPs)、安全预防设备以及仪器仪表等方面得到广泛应用。
（5）消费电子领域
使用超级电容器做为储能元件的手电筒，充电只需90秒，循环寿命可达50万次，可使用约135年。电子玩具常要求瞬时大电流，而电池无法提供，使用超级电容器作为电源不仅可以解决这个问题，还可以降低使用成本、减轻质量。一种自动的切管工具用于替代一种己经有十年历史的旧式手持切管设备。考虑实际应用，要求能提供瞬间高功率及长寿命，并且要求快速充电，一次充电能满足100次的切割工作，超级电容器与电池混联后能使产品满足应用的需求。
超级电容器的研究及应用现状
美国、日本、韩国、俄罗斯、德国等国研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。

超级电容器的研究

3、表面官能团
主要通过两种途径： 1）改变表面的润湿性能 2）官能团自身发生可逆的氧化还原反应从制备高容量、耐高压、稳定性好的电容器角度出发 , 要求活性炭材料表面的官能团有一个合适的比例。
4、微晶结构
对超级电容器来说,中孔比例大一些比较好中孔碳材料的方法主要有三种: 1）催化活化法 2）混合聚合物炭化法 3）模板炭化法
3、发展趋势：
• 提高性能、降低成本是超级电容器发展的主旋律。 • 从超级电容器的发展历史来看，电容器虽然能够提供高功率，但电容器不能像电池一样提供高的重量能量比，期望将来超级电容器能够代替电池作为储能元件，兼具高能量和高功率的性能。 • 超级电容器是绿色环保、能源开发的重要方向之一，它的研发必将带动整个电子产业及相关行业的发展，目前国内超级电容器的开发生产刚刚起步，具有广阔的发展空间。
双电层原理示意图
2. 性能特点
—介于电池和物理电容器之间
性能铅酸电池 1-5小时超级电容器 0.3-若干秒普通电容器 10-3—10-6秒
充电时间
放电时间
比能Wh/kg 循环寿命比功率W/kg 充放电效率
0.3-3小时
30- 40 300 < 300 0.7-0.85
0.3-若干秒
1- 20 >10000 >1000 0.85-0.98
2) 赝电容型超级电容器
(1) 金属氧化物材料 • 贵金属氧化物材料 —RuO2：无定型RuO2拥有更高的电导率，更高的比电容，更高的电化学可逆性。 • 替代RuO2的廉价金属氧化物材料—MnO2和NiO。
(2) 导电聚合物材料聚苯胺(PANI)、聚吡 (PPy)和聚噻吩(PTh) 他们的一些相关衍生物。优点：价格低廉、对环境友好、高导电率、高度可逆以及活性可控。

超级电容的结构和工作原理

超级电容的结构和工作原理超级电容器又称双电层电容器、黄金电容、法拉第电容，是一种新型的储能原件，它兼有物理电容器和电池的特性，能提供比物理电容器更高的能量密度，比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命，并且这种电容器己在工业领域实现产业化和实际应用。

如在考虑到环保需要而设计开发的电动汽车和复合电动汽车的动力系统中，若单独使用电池将无法满足动力系统的要求，然而将高功率密度电化学电容器与高能量密度电池并联组成的混合电源系统既满足了高功率密度的需要，又满足了高能量回收的需要。

高能量密度、高功率密度的电化学电容器正在成为人们研究的热点。

1.（3）：对使外部2.由于储能机理的不同，人们将超级电容器分为：(1)基于高比表面积电极材料与溶液问界面双电层原理的双电层电容器；(2)基于电化学欠电位沉积或氧化还原法拉第过程的赝电容器。

赝电容与双电层电容的形成机理不同，但并不相互排斥。

大比表面积准电容电极的充放电过程会形成双电层电容，双电层电容电极(如多孔炭)的充放电过程往往伴随有赝电容氧化还原过程发生，实际的电化学电容通常是两者共存的宏观体现，要确认的只是何者占主要的问题。

实践过程中，人们为了达到提高电容器的性能，降低成本的目的，经常将赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合使用，制成所谓的混合电化学电容器。

混合电化学电容器可分为两类，一类是电容器的一个电极采用赝电容电极材料，另一个电极采用双电层电容电极材料，制成不对称电容器，这样可以拓宽电容器的使用电压范围，提高能量密度；另一类是赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合组成复合电极，制备对称电容器。

（1）双电层电容器一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。

作为补偿，带正电的正电极吸引电解液中的负离子，负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，由此产尘的电容称为双电层电容。

双电层是由相距为原子尺寸的微小距离的两个相反电荷层构成，这两个相对的电荷层就像平板电容器的两个平板一样。

超级电容器的结构及其特点

超级电容器结构及特点超级电容器( supercapacitor，ultracapacitor)，又名电化学电容器(Electrochemical Capaci-tors)、黄金电容、法拉电容，超级电容器通过极化电解质来储能。

它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，其储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。

超级电容器是20世纪七八十年代发展起来的一种新型的储能装置。

它是一种介于传统电容器与蓄电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原原理储存电能，因而不同于传统的化学电源。

超级电容器其容量可达法拉级甚至数千法拉，它兼有常规电容器功率密度大，比普通蓄电池能量密度高的优点，并且具有充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，使用温度范围宽，对环境无污染等特点。

因此，从某种意义上讲，超级电容器有着传统电容器和蓄电池的双重功能，弥补了两个传统技术间的空白，因此具有很大的发展潜力。

超级电容器的准确名称是化学或双电屡电容器（具体名称取决于制造商），简称EDLC。

超级电容器的表现与传统电容器（包括多层陶瓷电容器、钽电容器、电解电容器等）相似，但能量密度更高。

这是由具有极大的电荷存储表面积的多孔炭电极与专门的电解质提供的极薄的板分离层相结合而形成的。

超级电容器属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其他种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近，如图3-6所示。

超级电容器的能量储存在双电层和电极内部，当用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子取向聚集到固体电极表面，形成电极／溶液双电层，用以贮存电荷。

超级电容器工作原理

超级电容器工作原理超级电容器，也被称为超级电容或者超级电容器电池，是一种能够储存和释放大量电能的装置。

它的工作原理基于电荷的分离和电场的形成。

1. 电容器的基本原理电容器由两个导体板（通常是金属）和介质（通常是电介质）组成。

当电容器连接到电源时，正电荷会会萃在一个导体板上，负电荷则会萃在另一个导体板上。

这种分离的电荷会在两个导体板之间形成一个电场。

2. 超级电容器的结构超级电容器的结构与普通电容器相似，但它的电极和电介质材料有所不同。

超级电容器的电极通常由活性炭或者金属氧化物制成，这些材料具有高比表面积和良好的导电性能。

电介质通常是有机溶液或者聚合物。

3. 双电层电容效应超级电容器的工作原理主要依赖于双电层电容效应。

当超级电容器连接到电源时，电荷会在电极表面形成一个双电层。

这个双电层由电解质和电极表面之间的离子层组成。

由于活性炭等材料具有高比表面积，双电层的电容量非常大。

4. 能量存储和释放超级电容器能够存储大量的电能，因为它的电容量比传统电容器大得多。

当超级电容器连接到电源时，电荷会在电极表面积累，储存电能。

当需要释放电能时，超级电容器会通过连接到负载的导线释放电荷。

5. 充放电过程超级电容器的充放电过程比较快速，这是因为电荷可以在电极表面直接存储和释放。

充电时，电流会流入电容器，电荷会在电极表面积累。

放电时，电流会从电容器流出，电荷会从电极表面释放。

6. 应用领域超级电容器具有快速充放电、长寿命、高效能量存储等特点，因此在许多领域得到广泛应用。

它们可以用于电动车辆的启动和制动能量回收系统、电力系统的峰值负荷平衡、可再生能源的储能系统等。

此外，超级电容器还可以用于电子设备的备份电源和无线通信设备的蓄电池。

总结：超级电容器利用双电层电容效应，能够储存和释放大量电能。

它的工作原理基于电荷的分离和电场的形成。

超级电容器的结构与普通电容器类似，但电极和电介质材料不同。

超级电容器具有快速充放电、长寿命和高效能量存储等特点，被广泛应用于电动车辆、电力系统和可再生能源等领域。

知识创造未来
超级电容器结构
超级电容器的结构主要分为两种：电双层电容器和赋存电容器。

1. 电双层电容器（Electric Double-Layer Capacitor，EDLC）：电双层电容器的结构由两个电极（正极和负极）和电解质组成。

电极
通常采用活性炭材料，具有高比表面积和孔隙结构，以增加电极与
电解质接触的面积。

电解质既可以是有机物质，也可以是无机盐溶液。

当电压施加在电极上时，电解质中的正、负离子会在电极表面
形成电双层，形成电荷分离，从而存储电能。

2. 赋存电容器（Pseudocapacitor）：赋存电容器的结构类似于传
统的电化学储能器件，如铅酸蓄电池等。

它包括两个电极和电解质，但电极材料不同于电双层电容器，而是采用具有赋存效应的材料，
如金属氧化物和导电聚合物。

这些材料具有较高的可逆氧化还原反应，并能够通过红ox反应来存储电能。

以上是超级电容器的两种常见结构，每种结构都有其特定的优势和
应用领域。

电双层电容器具有高功率密度、长寿命和低内阻的特点，适用于短时高功率输出和储能装置中的能量平衡；赋存电容器具有
较高的能量密度和较长的充放电周期，适用于需要较长工作时间和
较高能源密度的应用。

1。

超级电容器原理介绍及实验分析

五、结果与分析1、实验过程总结与知识点查阅○1超级电容器的结构：[1]超级电容器主要由三部分组成：电极、电解液和隔膜，其中电极由集流体和电极材料组成。

本实验中，集流体为泡沫镍，集流体起到降低电极内阻的作用，活性物质为三维石墨烯-Co3O4复合材料。

○2超级电容器的分类及原理分为双电层电容器和赝电容器双电层电容器：充电时，电解液中的带电粒子被吸附在电极表面，形成双电层结构，从而将能量储存起来。

在双电层电容器工作的过程中，电解液中的粒子只发生电迁移、扩散、传质，完全是物理过程，不会和电极发生氧化还原反应。

在充电时，接正极的电极集流体和活性物质带正电，活性物质吸附电解液中的负离子从而形成双电层结构。

同样的，接负极的活性物质带负电，吸引电解液中的阳离子形成双电层结构。

整个超级电容器相当于两个电容器串联。

循环性能好，比电容较低。

赝电容器：由于电解液中粒子与电极材料发生高度可逆的氧化还原反应，形成不稳定的产物，将能量储存起来。

在充电时，活性物质与电解液中的粒子在电极表面或者电极表面及内部发生高度可逆的化学吸附；在放电时则进行解吸附的过程。

循环性能差，比电容高。

○3超级电容器的电极材料[2]：（1）炭材料：活性炭、碳纳米管、石墨烯等。

主要用于双电层电容器，比容量较低，而且能量密度与功率密度也较低。

( 2 )过渡金属氧化物和导电聚合物，主要用于赝电容器，比容量与能量密度较高，导电性能和循环稳定性相对活性炭较差。

（3）改进材料：制备碳材料与金属氧化物或导电聚合物的复合材料，同时拥有比电容高和循环性能好的优点，如本实验中的三维石墨烯-Co3O4复合材料。

○4循环伏安法测试及其原理循环伏安法是指在工作电极和参比电极之间施加三角波扫描电压，记录工作电极上响应电流与施加电位之间的关系曲线，即循环伏安图。

从伏安图的波形、氧化还原电流的数值及其比值、峰电位等可以判断电极反应机理。

而在本实验中运用循环伏安法，在得到CV 曲线后首先可以从曲线的对称性分析得到样品的循环性能，之后可以通过曲线围成的面积计算样品的电容大小。

超级电容的结构和工作原理

超级电容的结构和工作原理超级电容器又称双电层电容器、黄金电容、法拉第电容，是一种新型的储能原件，它兼有物理电容器和电池的特性，能提供比物理电容器更高的能量密度，比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命，并且这种电容器己在工业领域实现产业化和实际应用。

如在考虑到环保需要而设计开发的电动汽车和复合电动汽车的动力系统中，若单独使用电池将无法满足动力系统的要求，然而将高功率密度电化学电容器与高能量密度电池并联组成的混合电源系统既满足了高功率密度的需要，又满足了高能量回收的需要。

高能量密度、高功率密度的电化学电容器正在成为人们研究的热点。

1.超级电容器的结构超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。

由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。

所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。

超级电容器的结构如图1所示．是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。

电极材料与集流体之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。

电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。

图1 超级电容器的基本结构上图中各部分为：（1）：聚四氟乙烯载体；（2）（4）：活性物质压在泡沫镍集电极上；（3）：聚丙烯电池隔膜。

超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。

这是由超级电容器包装的几何结构决定的。

对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。

这些集电极焊盘将被焊接到终端，从而扩展电容器外的电流路径。

对于圆形或圆柱形封装的产品，电极切割成卷轴方式配置。

最后将电极箔焊接到终端，使外部的电容电流路径扩展。

图1.2超级电容器电极2.超级电容器的工作原理由于储能机理的不同，人们将超级电容器分为：(1)基于高比表面积电极材料与溶液问界面双电层原理的双电层电容器；(2)基于电化学欠电位沉积或氧化还原法拉第过程的赝电容器。