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1、超级电容器工作原理超级电容器工作原理 及应用简介及应用简介 见证、坚持、共勉、分享见证、坚持、共勉、分享 妖怪妖怪A梦梦-真“芯”动力真“芯”动力 136582522 桃桃-不对称电容不对称电容 2015.4 2 超级电容器结构构成超级电容器结构构成 超级电容器的性能测试超级电容器的性能测试 介绍内容介绍内容 超级电容器的原理和新材料超级电容器的原理和新材料 应用于超级电容器的新材料应用于超级电容器的新材料 超级电容器的性能特点超级电容器的性能特点 超级电容器的几大应用领域超级电容器的几大应用领域 3 超级电容器的原理超级电容器的原理 超级电容器超级电容器（Supercapacitors，or
2、 EDLC)，是一种新型的储能装是一种新型的储能装置置。超级电容器的容量密度在所有超级电容器的容量密度在所有类型的电容器中位列首位类型的电容器中位列首位，而且其而且其功率密度能够达到可充电电池的功率密度能够达到可充电电池的10100倍倍。 因此因此，超级电容器能超级电容器能够弥补电池与传统电容器之间的差够弥补电池与传统电容器之间的差距距。 超级电容器 4 超级电容器的原理超级电容器的原理 双电层机理双电层机理双电层是一种静电物理储能方式，它利用双电层是一种静电物理储能方式，它利用 导电电极与电解液界面处亥姆霍兹层内的电荷分离来实现导电电极与电解液界面处亥姆霍兹层内的电荷分离来实现 电能的存储，
3、双电层内电荷分离的距离非常小，只有零点电能的存储，双电层内电荷分离的距离非常小，只有零点 几个纳米（几个纳米（ 0.30.8 nm ），而且非常稳定。），而且非常稳定。 超 级 电 容 器 的 储 能 原 理超 级 电 容 器 的 储 能 原 理 5 超级电容器的原理超级电容器的原理 传统电容传统电容 将电能储存在电极极板将电能储存在电极极板 充电后形成的电场内充电后形成的电场内，其电容大其电容大 小取决于电极面积的大小和电荷小取决于电极面积的大小和电荷 分离的距离分离的距离。 超级电容器超级电容器 利用电荷在高比表面利用电荷在高比表面 积多孔电极和电解液间的界面处积多孔电极和电解液间的界面处
4、 发生分离进行能量存储发生分离进行能量存储。 电极材料的比表面积通常都比较电极材料的比表面积通常都比较 大大，一般可达一般可达10002300m2/g； 而电荷分离的距离则非常小而电荷分离的距离则非常小，只只 有几个有几个左右左右。 6 超级电容器的原理超级电容器的原理 由于电荷分离的距离非常小，而且电极的比表面积非常大，超级电容器的容量可以达到法拉级别（1F3000F 的单体是十分平常的），而传统电容器的电容量只有微法级别（ 10-6F ） 超级电容器结构构成 （1 1）电极电极。 超级电容器的电极片主要由集流体基材和涂覆在上面的活性层两部分组成超级电容器的电极片主要由集流体基材和涂覆在上面
5、的活性层两部分组成（纽纽 扣式超级电容器的电极片无集流体扣式超级电容器的电极片无集流体），集流体多为铝箔集流体多为铝箔、活性层多为以活性炭为活性层多为以活性炭为 主的活性材料主的活性材料+ +导电剂导电剂+ +粘结剂的组成方式粘结剂的组成方式。 活性材料：提供超大的比表面积活性材料：提供超大的比表面积，产生容量产生容量。 导电剂：弥补活性材料导电性能差的不足导电剂：弥补活性材料导电性能差的不足，在活性材料颗粒之间形成导电链在活性材料颗粒之间形成导电链， 降低电极片的电阻降低电极片的电阻。 粘结剂：将各种成分的微粒通过粘结剂分子交联在一起粘结剂：将各种成分的微粒通过粘结剂分子交联在一起，形成稳定
6、的活性层形成稳定的活性层， 并将活性层与基材并将活性层与基材/ /集流体紧密结合集流体紧密结合，不易脱落不易脱落。 此外卷绕式还需要主溶剂和添加剂：将各种成分溶解此外卷绕式还需要主溶剂和添加剂：将各种成分溶解，为充分均匀的混合提为充分均匀的混合提 供可能性供可能性。 超级电容器结构构成 （2 2）隔膜隔膜 隔膜多为纤维素类隔膜多为纤维素类、聚丙烯类聚丙烯类、聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯、无纺布类或无纺布类或 复合的各种薄膜材料复合的各种薄膜材料，厚度规格厚度规格3030 100100mm不等不等。隔膜本身隔膜本身 是绝缘性的能够防止正负极接触短路是绝缘性的能够防止正负极接触短路，并带有微小的空隙能并带
7、有微小的空隙能 够允许离子通过够允许离子通过。因此隔膜是因此隔膜是“电子绝缘电子绝缘，离子导通离子导通”的材的材 料料。 超级电容器结构构成 （3 3）电解液电解液。 应用于超级电容器的电解液主要分为三类：应用于超级电容器的电解液主要分为三类：水系电解液水系电解液，即无机酸即无机酸、碱碱、 盐的水溶液；盐的水溶液；有机电解液有机电解液，即各种锂盐和铵盐的有机溶液；即各种锂盐和铵盐的有机溶液；固体电解质固体电解质 和凝胶电解质和凝胶电解质。 虽然水系电解液的应用较广泛虽然水系电解液的应用较广泛，但水系电解液分解电压较低但水系电解液分解电压较低（水的理论分解水的理论分解 电压为电压为1 1 . .
8、2323 V V），低温性能较差低温性能较差，具有腐蚀性具有腐蚀性。有机电解液的分解电压高有机电解液的分解电压高， 通常可达通常可达2 2. .7 7V V左右左右。有利于获得更高的能量密度有利于获得更高的能量密度，具有工作的温度范围较宽具有工作的温度范围较宽， 较高的电化学稳定性和耐高压等优点较高的电化学稳定性和耐高压等优点。但其电阻大但其电阻大，成本高成本高、易燃易燃，对装配对装配 工艺的要求较高工艺的要求较高，需要在手套箱等严格控制水分的情况下进行电容器组装需要在手套箱等严格控制水分的情况下进行电容器组装。 目前目前，超级电容器中常用的电解质阳离子主要是季铵盐超级电容器中常用的电解质阳离
9、子主要是季铵盐(R(R4 4N N十十) )，如如MeMe4 4N+,N+, EtEt4 4N+,N+, BuBu4 4N+,N+, MeMe3 3EtN+EtN+等等，此外此外，也有也有Li+Li+和和R R4 4P+P+；而阴离子有；而阴离子有ClOClO4 4- -, , BFBF4 4- -, , BFBF6 6- -, , AsFAsF6 6- -等；常用的溶剂有等；常用的溶剂有- -丁内酯丁内酯（GBLGBL）, ,碳酸丙烯酯碳酸丙烯酯 （PCPC）, ,碳酸乙二酯碳酸乙二酯（ECEC），N N- -二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺（DMFDMF）等等。 不管什么种类不管什么种类, ,对电
10、解液总的要求是：对电解液总的要求是：a)a)对电极材料具有良好的浸润性和适当对电极材料具有良好的浸润性和适当 的粘度；的粘度；b)b)对集流体材料对集流体材料、隔膜和密封材料腐蚀性越低越好；隔膜和密封材料腐蚀性越低越好；c)c)具有较高的具有较高的 分解电压和较宽的使用温度范围；分解电压和较宽的使用温度范围；d)d)电导率尽可能高电导率尽可能高，以降低电容器的等效以降低电容器的等效 串联电阻串联电阻，改善电容器的功率特性；改善电容器的功率特性；e)e)最好是无毒最好是无毒、无味无味、价廉价廉、不易燃烧不易燃烧、 易购买的材料易购买的材料。此外还要考虑电极材料与电解液的匹配等问题此外还要考虑电极
11、材料与电解液的匹配等问题。 超级电容器结构构成 超级电容器单体的结构基本为超级电容器单体的结构基本为“正极极片正极极片+ +隔膜隔膜+ +负极极片负极极片”制成电芯制成电芯。 再通过引线引出或两端引出等方式装配进铝壳内再通过引线引出或两端引出等方式装配进铝壳内，灌注电解液后封装灌注电解液后封装。 超级电容器的结构部件根据不同类型产品可能有所不同超级电容器的结构部件根据不同类型产品可能有所不同。这是由超级这是由超级 电容器的封装结构决定的电容器的封装结构决定的。 对于圆柱形产品对于圆柱形产品，电芯由正负电极片夹隔膜通过卷绕的方式制成电芯由正负电极片夹隔膜通过卷绕的方式制成，因因 此通常称为卷芯此
12、通常称为卷芯。正负极片会铆接引针穿过胶塞或焊接引线条铆接盖正负极片会铆接引针穿过胶塞或焊接引线条铆接盖 板作为电流的引出端子板作为电流的引出端子，最后由铝制外壳封口将胶塞或盖板密封最后由铝制外壳封口将胶塞或盖板密封。 超级电容器结构构成 对于软包装结构的超级电容器对于软包装结构的超级电容器，其结构多借鉴锂离子电池其结构多借鉴锂离子电池。电芯多电芯多 为扁式卷绕的卷芯为扁式卷绕的卷芯，或类似方形超级电容器的层叠电芯结构或类似方形超级电容器的层叠电芯结构。外部外部 为电池专用铝塑膜热合密封为电池专用铝塑膜热合密封。 超级电容器结构构成 纽扣式超级电容器纽扣式超级电容器，结构借鉴纽扣电池内部设计结构
13、借鉴纽扣电池内部设计。正负极正负极 电极片为无铝箔式的活性炭电极电极片为无铝箔式的活性炭电极，并以不锈钢作为正负极并以不锈钢作为正负极 集流体集流体。电极片与壳之间用导电胶贴合电极片与壳之间用导电胶贴合，极片间夹隔膜浸极片间夹隔膜浸 注电解液后注电解液后，在正负极壳之间放置密封圈在正负极壳之间放置密封圈，通过压合的方通过压合的方 式封口密封式封口密封。 超级电容器的性能特点 功率密度高功率密度高 根据美国加州大学戴维斯分校交通运输学院的研根据美国加州大学戴维斯分校交通运输学院的研 究究，在保证工作效率维持在在保证工作效率维持在9595% %的情况下的情况下，超级电容器的功率密度甚超级电容器的功
14、率密度甚 至可以超过至可以超过6 6 kW/kgkW/kg ，大约是电池的大约是电池的100100倍倍。 循环寿命长循环寿命长 超过超过5050万次的充放电循环寿命万次的充放电循环寿命（大多数可充电电大多数可充电电 池循环寿命只有池循环寿命只有200200 10001000次次），超级电容器的寿命完全满足绝大多数超级电容器的寿命完全满足绝大多数 电子设备的整个使用寿命周期电子设备的整个使用寿命周期。 安全无污染安全无污染 过充时不会像锂离子电池一样发生爆炸过充时不会像锂离子电池一样发生爆炸，安全系安全系 数较高数较高。与铅酸电池不同与铅酸电池不同，超级电容器不含重金属超级电容器不含重金属，材料
15、毒性较低材料毒性较低， 是一种环境友好的储能设备是一种环境友好的储能设备。 温度范围宽温度范围宽 可以在可以在 4040 7070范围内使用范围内使用，充放电循环过充放电循环过 程中产生热量较小程中产生热量较小。超级电容器可以在低温条件下提供大电流或大功超级电容器可以在低温条件下提供大电流或大功 率输出率输出。 充电速度快充电速度快，充电充电1010秒秒1010分钟可达到其额定容量的分钟可达到其额定容量的9595以上；以上； 充放电线路简单充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路无需充电电池那样的充电电路，安全系数高安全系数高，长长 期使用免维护；期使用免维护； 检测方便检测方便，剩余电量可直接读出；剩余电量可直接读出； 14 应用于超级电容器的新材料应用于超级电容器的新材料 活性炭活性炭 + 铝箔（圆柱形产品）铝箔（圆柱形产品） 离子透过性薄膜离子透过性薄膜 PP或纤维素材质或纤维素材质 电解质盐电解质盐 + 无水有机溶剂无水有机溶剂 超级超级 电容器电容器 电极电极 隔膜隔膜 电解液电解液 15 应用于超级电容器的新材料应用于
