介绍一种新型电容器——双电层电容器

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1、介绍一种新型电容器——双电层电容器

2、第1内容显示中摘要：本文介绍了一种新型的超级电容器：双电层电容器。着重分析了其物理模型、等效电路，以及较之其他储能元件的特点，最后叙述了其在电动汽车、应急后备电源等方面的应用及其产业化情况。关键词：超级电容器，双电层电容器，新型储能元件，电动汽车，应急后备电源。1引言超级电容器（Super-capacitors，Ultra-capacitors）是一种原理和结构均不同于传统电容器（Conventionalcapacitors）的新型电容器。它的出现使得电容器的电容量提高了3-4个数量级。从分类上看，超级电容器包括

3、双电层电容器（Electricaldouble-layercapacitors，EDLC）和电化学电容器（Electrochemicalcapacitor）两大类[1]。电化学电容器的原理是发生在电极之间的氧化还原反应，根据电极材料的不同可分为金属氧化物和导电性高分子聚合物两类。本文以EDLC的原理及应用为重点，首先介绍EDLC的理论基础——双电层模型，而后讨论其结构特点，进而将EDLC与目前常用的储能元件进行多方面的比较，总结了EDLC的优缺点。最后介绍其在电动汽车和后备电源领域的应用以及世界各国在此领域的产业化情况。2EDLC的原理2.1双电层

4、模型[2,3,4]及EDLC的原理早在1879年，Helmholtz就提出了EDLC的电荷储存原理,即最初的双电层（ElectricalDouble-layer,EDL）模型[5]：当金属插入电解液中时，金属表面上的净电荷将吸引溶液中部分不规则分布的带异种电荷的离子，使它们在界面溶液侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷相等而符号相反的界面层。这个界面由两个电荷层组成，一层在电极上，另一层在溶液中，故称为双电层。由于界面上存在位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，因而形成一个电容器。但是，由于没有考虑到电压对电容量的影响，由H

5、elmholtz模型计算出的电容量较之由实验测量的电容量要大一个数量级左右。这种误差主要源于Helmholtz对溶液侧电荷分布的假设。由于溶液的不良导电性，溶液侧电荷在空间中实际上是分散分布的。基于这种考虑，Guoy和Chapman在1910年提出了溶液侧电荷分散分布的EDL模型，克服了Helmholtz模型的一些不足。而在随后的1924年，Stern结合上述两个模型，提出了如图1所示的改进模型。较之上面两个模型，Stern的EDL模型考虑了电荷的物理尺寸，并把溶液侧电层分成了致密层与分散层两部分，总电容等于这两层分别形成的电容的串联。500)th

6、is.style.ouseg(this)">图1Stern的EDL模型在Stern的模型基础上，可推导出如下公式：（1）（2）（3）其中，代表EDLC的单位面积电容量，代表分散层所形成的单位面积电容量，代表致密层所形成的，代表电解质中离子化合价，代表热平衡时阴阳离子的浓度和，表示单位电荷，为波尔兹曼常数，为热力学温度，代表电解液的介电常数，代表电子层的厚度。Stern模型结合了Helmholtz和Guoy两种模型的特点，是目前比较成熟的EDL模型，用这个模型推导出的公式也能较好的与实际情况相符。众所周知，电容器的电容量与电极板面积成正比。为提高电容

7、量，就要增大极板面积。在普通电容器中，由于电极为平板结构，通常将两个平板电极卷成桶状，或在极板上刻花纹，借此来增大极板面积。而在EDLC中，极板采用多孔、特殊表面积的碳材料,常用的有活性炭、活性炭纤维、碳气凝胶和碳纳米管。其中，活性炭是使用最广泛的一种。其比表面积超过1000m2/g，有些甚至高达3000m2/g，且良好的微观结构也有助于电解液进入到它的层间，从而大大的增加了极板面积。另一方面，在普通电容器中，两个带有电荷的极板是用电介质分离的，正负电荷间的距离就等于电介质的厚度，与电容器的电容量成反比。而在EDLC中，正负电荷间的距离是分子级的，

8、远远小于普通电容器中电介质的厚度。综合以上两点，EDLC拥有超大比表面积的极板和极小的电荷间距，因此其电容量远远大于普通电容器。2.2EDLC结构与外特性[2]EDLC的基本结构是：用活性炭作为电极，中间用多孔绝缘膜加以隔离，外面是金属集电极（通常为铝制），如图2所示。按电解质的不同，EDLC可分为液体EDLC和固体EDLC，液体EDLC又可分为水系电解质和非水系电解质两类。其充放电过程如图3所示。由于活性炭电极和电解质之间是空间分布式结构，EDLC不能用一个独立的电容来描述，而是一个如图4所示的复杂的非线性电阻、电容连接网络。其中EDLC的阻抗特

9、性由电极材料的电阻系数，电解液的电阻系数、孔的大小、膜的多孔性和包装工艺等多方面因素决定。500)this.style.o