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超級電容器:基本原理、分類及電性能

作者:中國儲能網新聞中心 來源:CNESA 發布時間:2019-07-25 瀏覽:
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中國儲能網訊:當前,儲能系統在不同領域內扮演著越來越重要的角色,比較典型的領域如電動交通工具、電力系統等領域。在這種背景下,超級電容器作為一種儲能技術,具有功率密度高、免維護、壽命長等優異性能成為學術界和產業界關注的熱點。近幾年來,超級電容器技術進步較快,尤其在學術界不斷有新的技術突破見諸報道,在學術界支撐下,產業界在生產制造和應用端也取得了較大進展。

對此,儲能聯盟研究部對超級電容器研究現狀和應用情況進行了追蹤,并根據市場應用情況,對超級電容器未來發展趨勢進行預測分析。

儲能聯盟將分兩期與大家分享超級電容器的相關情況,本文為您詳細介紹超級電容器的基本原理及分類以及超級電容器電化學性能。

超級電容器的基本原理及分類

本小節主要對超級電容器的電化學機理進行介紹,在超級電容器中能量主要存儲與電極與電解質界面中,這種儲能方式儲能機理與使用的電極材料有很大關系,當一種超級電容器的兩個電極使用了不同種類的材料,在這種情況下,對產品儲能機理進行綜合分析將不能全面理解超級電容器工作原理,基于此,本節將首先對超級電容器的工作原理進行簡單介紹;然后對不同電極-電解質界面儲能機制進行闡述,并根據電極及電解液不同對超級電容器進行分類,并介紹超級電容器一些電性能特征。

一、超級電容器工作原理

如圖1所示,超級電容容器主要由集流體、電極、電解質以及隔膜等幾部分組成,其中隔膜的作用和電池中隔膜的作用相同,將兩電極隔離開,防止電極間短路,允許離子通過。超級電容器儲能的基本原理是通過電解質和電解液之間界面上電荷分離形成的雙電層電容來貯存電能。

圖1:超級電容器結構及工作原理示意圖

二、能量存儲機制

用于超級電容器電極和電解液制造生產的材料較多,為了深入的理解超級電容器能量存儲機制,并對超級電容器的性能進行優化,通常需要利用循環伏安曲線和恒流放電兩種實驗來表征不同超級電容器電極性能。圖2給出了不同能量存儲機制下,超級電容器電極循環伏安及恒流放電曲線,其中a、c分別表示雙電層電容、贗電容儲存機制下,超級電容器電極的循環伏安曲線及恒流放電曲線;b、d分別表示法拉第電容儲存機制下,超級電容器電極的循環伏安曲線及恒流放電曲線。

圖2:不同儲存機制下雙電層電容循環伏安曲線及恒流放電曲線

1. 雙電層電容儲存機制

雙電層效應是正、負電荷分離,分別在電極-電解質界面積累而形成。是活性碳、碳纖維、碳氈等碳材料超級電容器能量存儲的主要機制。雙電層效應的形成,主要是由電極表面高能導帶電子增加或者減少,引起界面側電解質溶液中正負電荷移動,用以平衡電極表面高能導帶電子變化帶來的電荷不平衡而形成。

考慮到電極表面電荷密度,取決于外加電壓,雙電層電容因電壓不同而不同,雙電層電容中電化學反應主要發生在電極表面,且通常是陰陽離子的吸附與脫附行為。雙電層電容的循環伏安曲線呈現矩形形狀如圖2(a)所示,這類材料的恒流放電曲線呈線性關系,如圖2(c)所示。

雙電層效應發生在電子導體和離子導體界面,幾乎所有的電化學儲能系統都存在該現象。然而,在電解槽、燃料電池、電池中通常被認為是一種副反應,不被看作為主要能量存儲機制。相反,超級電容器工作原理正是基于該效應,這就要求超級電容器在設計和研發過程中要盡量最大化該效應。

2. 贗電容儲存機制

贗電容也稱法拉第準電容,是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上,電活性物質進行欠電位沉積,發生高度可逆的化學吸附,脫附或氧化,還原反應,產生和電極充電電位有關的電容。是金屬氧化物、金屬碳化物、導電聚合物超級電容器能量存儲的主要機制,盡管這些反應與電池中反應很相似,兩者電荷都經過了雙電層電容,不同的是贗電容的形成更多的是由特殊的熱力學行為導致的。贗電容的循環伏安曲線、恒流放電曲線與雙電層電容相似。與雙電層電容不同的是,贗電容能量密度較高,但受限于電化學反應動力學以及反應的不可逆性,導致贗電容的充放電功率、循環壽命都比雙電層電容要小。需要指出的是,由于活性官能團的存在,大部分超級電容器電極都存在著贗電容,比如,由石墨烯等納米材料組成的雙電層電容電化學響應,主要是由碳材料缺陷引起的氧化還原反應形成。

3. 法拉第反應儲存機制

這種存儲機制主要是基于電極中金屬陽離子的氧化還原反應,通常伴隨著金屬陽離子的氧化還原反應,金屬陽離子在電極材料提相中的脫出和嵌入,引起電子在材料中的得失,進而儲存能量。主要包括材料相轉變或合金化反應兩種方式。這些電極在充放電時會出現平臺電壓,該電壓對應循環伏安曲線中的氧化還原峰電壓,如圖2(b)、2(d)所示。法拉第電容與另外兩種電容相比,存儲能量更高,一般為雙電層電容的10-100倍。

往往一些表現出法拉第效應的電極材料如Ni(OH)2或者類似的電池性質的電極材料,在許多文獻中被認為是贗電容型材料,給讀者帶來一定困惑。盡管這類材料擁有更高的儲能能量密度,受限于材料離子固相擴散,高功率充放電性能遠遠差于贗電容材料。

三、超級電容器分類

關于超級電容器分類標準比較多,本文主要介紹兩種分類方法,第一種按照電極材料存儲能量機制不同進行分類,第二種按照電解質不同進行分類。

1. 依據儲能機制不同進行分類

按照儲能機理不同,可以將超級電容器分為對稱性超級電容器、非對稱性超級電容器和混合型超級電容器,三類超級電容器性能見表1。

2.依據電解質不同進行分類

按電解質類型常規地可以分為水性電解質和有機電解質類型,其中水性電解質,包括1.酸性電解質,多采用36%的H2SO4水溶液作為電解質,2.堿性電解質,通常采用KOH、NaOH等強堿作為電解質,水作為溶劑,3.中性電解質,通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質,水作為溶劑,多用于氧化錳電極材料的電解液;有機電解質通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質,有機溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑,電解質在溶劑中接近飽和溶解度。另外還包括固態電解質,隨著鋰離子電池固態電解質不斷突破,該類電解質已經成為超級電容器電解質領域研究熱點。

超級電容器電化學性能

本小節將簡單探討超級電容器電性能,期望通過分析來揭示引發超級電容器一些特殊現象的原因,并分析這些現象對電容器性能的影響,下文也會討論針對不同應用領域要求,該如何正確的選擇與之匹配的超級電容器。

一、 電壓與容量的關系

容量可變是超級電容器的特性之一,雖然這一特性不是超級電容器最為關鍵的性能。但當SC是能源系統的一部分時,需要考慮它。這是由于整個電壓范圍內的超級電容器的容量變化在額定容量的15%到20%之間,這在能源系統中大多數設計中是不可忽視的。超級電容器的電容可以通過公式(1)進行測量。公式將存儲在雙電層之間的電荷與電壓聯系在一起,表明存儲在雙電層之間的電荷量與電壓成正比,隨著電壓增大,雙電層附近電荷分布密度將變高。

(1)

U為電壓,Q為電荷

除了電壓對超級電容器電容有影響外,環境溫度也會影響超級電容器電容。盡管超級電容器有較寬的工作溫度范圍,但是較寬溫度變化會對超級電容器的電容產生一定的影響,作為儲能工具的一部分,在設計系統時,應充分考慮環境溫度對超級電容器電容的影響。溫度主要通過影響雙電層兩側陰陽離子布朗運動,而影響超級電容器的電容,一般而言,溫度對不同離子布朗運動影響不同,意味著當溫度升高時,不同的陰陽離子布朗運動速度增差距較大,將減小電容器電容。有研究報道認為當溫度變化1℃時,超級電容器電容將變化0.1%,表明當超級電容器工作溫度變化80℃時,產生有8%的容量變化。盡管溫度變化對超級電容器電容影響較小,但在系統設計時也應該引起足夠重視。

二、電極表面電荷分布規律

通常超級電容器在設計過程中已經了考慮電極孔隙大小與電解質大小的匹配性。需要指出的時,超級電容器電解質溶劑通常由極性分子組成,如水分子、乙腈等,這些極性分子將于離子產生溶劑化反應,結合為更大的比較穩定的單元。當電極孔隙直徑小于自由化離子的直徑時,溶劑化的離子和自由離子將不能通過該孔,不會對雙電層電容產生影響;當孔大于溶劑化離子時,溶劑化離子將通過孔;孔隙介于離子和溶劑化離子直徑時自由離子將通過孔隙,溶劑化的離子將去溶劑化后,形成自由離子進入孔內部,這一過程需要消耗能量。后兩種孔的存在都會影響雙電層電荷分布。電荷分布與電容快速充放電速率以及壽命有一定關系,

研究發現,正是由于這種溶劑化現象的存在使得超級電容器不能在高功率狀態下,實現滿充滿放。有報道稱認為,常用的電容器中去溶極化離子和溶極化離子約占20%電極表面面積。

三、歐姆極化

充放電過程中,超級電容器中離子和電子將發生移動。一方面,由于電子運動產生焦耳熱,把電子動能轉化為熱能通過導體散失,另一方面,離子在電解質的運動過程中會與其它離子摩擦產生熱量被散失,克服這兩種能量耗散所需要電壓與運輸離子或電流成比例,把這種現象稱為超級電容器歐姆極化現象。

通常溫度變化對電子和離子影響相反,對于固態電極而言,當溫度升高時,固態分子中原子振動更為劇烈將產生較大的焦耳熱,而對于離子來講,溫度升高,加快分子運動,降低黏度,有利于降低離子運動產生能量損耗。研究表明離子運動受溫度影響更為顯著,表明,當溫度升高時有利于降低超級電容器能量損耗。

與其它電化學儲能技術相比,歐姆極化對超級電容器的影響較小。由于超級電容器典型的運用場景為高功率,這一應用情形需要注意兩方面,一方面超級電容歐姆極化會引起電壓顯著變化,進而影響效率,由于超級電容器最為顯著的特點是效率較高,那么歐姆極化可以作為一個重要指標,來判斷產品性能;另一方面,在使用過程中應盡量避免因溫度過高產生危險,產品設計時需要進行良好的熱管理。

四、 自放電

自放電高是超級電容器的主要缺點之一,極大的限制了超級電容器的應用。在實際中產品能量保持時間較短,有研究者發現,擱置2h容量損失率高達36%。超級電容器容量損失主要由于超級電容中離子穿過電解質膜形成的漏點流引起,超級電容器自放電率與存儲時間成線性關系。研究者通過電極包覆來降低超級電容器的自放電性能,但犧牲了超級電容器的能量密度。

關鍵字:超級電容器 儲能

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