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超级电容电池的两个电容形式

2016-11-16 11:55| 编辑:电工学习网| 查看: 3423| 评论: 0

  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、法拉第赝电容器
  法拉第赝电容器也叫法拉第准电容,是在电极表面活体相中的二维或三维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。这种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化,表现出电容特征,故称为“准电容”,是作为双电层型电容器的一种补充形式。
  法拉第准电容的充放电机理为:电解液中的离子( 一般为H+或OH-)在外加电场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液界面,而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中;若电极材料是具有较大比表面积的氧化物,就会有相当多的这样的电化学反应发生,大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中,同时所存储的电荷通过外电路释放出来。
  2、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。Helmholtz首次提出此模型。
  能量是以电荷的形式存储在电极材料的界面。充电时,电子通过外加电源从正极流向负极,同时,正负离子从溶液体相中分离并分别移动到电极表面,形成双电层;充电结束后,电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定,在正负极间产生相对稳定的电位差。在放电时,电子通过负载从负极流到正极,在外电路中产生电流,正负离子从电极表面被释放进入溶液体相呈电中性。


  当超级电容充电时,泄漏电流会随着时间而衰减,因为碳电极中的离子会扩散进入孔隙中。泄漏电流会稳定在一个均衡值,该值取决于电容、电压和时间。泄漏电流与 电容芯成正比。超级电容均衡泄漏电流的经验估计算法为室温下1μA/F。图6中的150mF电容,在160小时后的泄漏电流为0.2μA和0.3μA。泄 漏电流随温度升高而呈指数上升。
  当温度升高时,稳定到均衡值的时间会减小,因为离子扩散的速度更快。因此,这些电容从0V充电需要的时间最小。根据不同的 超级电容,这个电流范围从5μA~50μA。设计者在为能量采集电路挑选超级电容时,应考虑测试这个最小充电电流。

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