[科普中国]-双电层电容器

双电层电容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)又叫超级电容器，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。双电层电容器用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。

原理双电层电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。

那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。

双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。

同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。

基本原理为：当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小（一般0.5nm以下），再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。1

工艺超级电容器的工艺流程为：配料→混浆→制电极→裁片→组装→注液→活化→检测→包装。

超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料。早期的超级电容器的电极采用碳，碳电极材料的表面积很大，电容的大小取决于表面积和电极的距离，这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离，使超级电容器的容值可以非常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般情况下容值范围可达1-5000F。

超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。超级电容器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电容量的。在超级电容器中，采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的两个多孔炭电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电荷，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成双集电层。1

分类超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。

按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：

双电层型超级电容器，包括

活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。

碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。

碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。

碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。

以上电极材料可以制成：

平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。

绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。

赝电容型超级电容器：包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。

按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型：

水性电解质，包括以下几类

酸性电解质，多采用36%的H2SO4水溶液作为电解质。

碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。

中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。

有机电解质通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。

另外还可以分为：

液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态。

固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究。1

缺点电化学电池（3-5·W·H /千克为一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量是一般较低，尽管85瓦时/公斤已在实验室中实现，2010年，相比， 30-40·W·H /公斤的铅酸电池，100-250·W·H /公斤的锂离子电池，约1/1万分之一体积的汽油的能量密度；

具有最高的任何类型的电容器的介质吸收；

高自放电率---大大高于电化学电池；

最大电压低 - 需要系列连接，以获得更高的电压，可能需要电压平衡；

与电化学电池相比，双电层电容器（包括其他类型电容器）随着能量的释放电压会显著下降。它的充电放电需要复杂的电子控制和开关设备，随之会带来能量损失。一个多电压5.3 W EDLC的医疗设备电源的详细论述了详细的设计原则。它使用在约150秒共55 F的电容，收费，运行约60秒。电路采用开关模式稳压器，线性稳压器的清洁和稳定的电力，减少约70%的效率。开关稳压器，降压，升压，降压 - 升压类型的讨论，并得出结论，大不相同跨EDLC的降压 - 升压电压是最好的，增加第二个最好，降压不宜；

非常低的内部电阻--允许极快速放电。短路时，会比任何其他类型电容或电化学电池更危险。2

优点寿命长，有点退化了数以十万计的充电周期。由于电容的充放电循环（百万或更多的200至1000大部分市售的充电电池相比）的高数量将持续为大多数设备的整个生命周期，这使得环保设备。充电电池通常穿了几年了，和他们的高活性化学电解质提出了处理和安全隐患。可以只收取了有利的条件下，一个理想的速度，对于一些化学物质，尽可能少地优化电池寿命。双电层电容器与电池结合作为电荷调节，存储从其他来源的能量负载均衡的目的，然后使用充电电池，在适当的时间，任何多余的能量可以帮助；

每个周期的成本低；

良好的可逆性；

充电和放电率非常高；

非常低的内部电阻（ESR）和随之而来的高周期效率（95%以上）和极低的加热水；

高输出功率；

比功率高。根据ITS（交通研究学院，戴维斯，加利福尼亚）的测试结果，双电层电容器的具体功率可超过6千瓦/千克，95%的效率；

提高了安全性，无腐蚀性的电解质和低毒性的材料；

简单的收费方法，没有充分充电检测是必要的，没有滥收费用的危险；

配合使用充电电池时，在某些应用中EDLC的很短的时间提供能量，减少电池自行车税和延长寿命。2

物料在一般情况下，双电层电容器通过了纳米材料的使用，代替传统的绝缘层，通常活性炭提高存储密度。活性炭是一个非常多孔，“海绵”碳形式有一个非常高的比表面积 - 一个共同的近似是1克（铅笔橡皮擦般大小的量），有一个大约250平方米的表面面积大小 - 一个网球场。它通常是极其精细，但很“粗糙”的粒子，其中，散装，形成许多小孔的低密度堆粉末。由于这种材料甚至是一层薄薄的表面积是许多倍，比传统材料，如铝，越来越多的电荷载体（电解质的离子或自由基）可以存储在一个给定的体积。由于碳是不是一个很好的绝缘体（与传统设备所使用的优良绝缘体），一般双电层电容器限于低2-3至五为了潜力，因此必须是“堆叠”（串联），只是作为传统电池必须提供更高的电压。

活性炭是不是“完美”的申请材料。其实运营商的收费（效果）相当大，特别是由分子的包围时，往往大于木炭留下的洞，这是接受他们太小，限制了存储。

截至2010年，几乎所有的商业超级电容器用粉末活性炭由椰子壳制成的。性能更高的设备是可用的，在一个显着的成本增加，合成碳与氢氧化钾（KOH）激活的前体的基础上。

在双电层电容器的研究主要集中在改进的材料，提供更高的可用表面积。

石墨具有优异的表面面积每单位重量或体积密度，高导电性，可以在各个实验室生产的，但不是在批量生产。特定的能量密度为85.6瓦/公斤，在室温和136瓦时/公斤，在80℃（所有总电极重量计算），在电流密度为1 A / G来衡量，已观察到。这些能量密度值是镍氢电池媲美。设备的充分利用，最高的内在表面电容及单层石墨比表面积预备弯曲不重新堆叠面对面的石墨薄片。弯曲的形状，使访问和对环境无害的离子液体能够在电压> 4可湿性孔形成五。

碳纳米管具有优良的nanoporosity属性，使聚合物的微小空间，坐在管中，并作为介质。碳纳米管可以存储大约每单位面积，但碳纳米管（这几乎是纯碳作为木炭相同的电荷）可以安排在一个更经常的模式，公开更多合适的表面积。电容器的碳纳米管除了可以大大改善和提高双电层电容器的性能。由于高表面积和高导电性的单壁碳纳米管，这些碳纳米管除了允许这些电容器优化。多壁碳纳米管在电极孔，方便离子允许存在/电解质界面。碳纳米管薄薄的墙壁，允许在双电层电容器的高电容。通过添加多壁碳纳米管，这些电容器，电极的电阻可以降低。电容与多壁碳纳米管纤维细胞有较高的电子和电解质的离子电导率，比没有这些碳纳米管的细胞。这些纳米管也有所改善电力电容器的能力。

碳气凝胶提供了极高的表面积约400-1000平方米/克的重量密度。气凝胶超级电容器的电极通常由碳纤维制成，并涂上有机气凝胶，然后经过裂解无纺纸的一种复合材料。碳纤维结构的完整性和气凝胶提供所需的表面积大。小气凝胶超级电容器被用作微电子备份的电力储存。气凝胶电容只能工作在几伏的高电压电离的碳和损坏电容。碳气凝胶电容已经达到325焦耳/克（90·W·H /公斤）的能量密度和功率密度20 W / G。

固体活性炭，也称为综合的无定形碳（CAC）。它可以有一个表面面积超过2800平方米/克，可能更便宜比气凝胶碳生产。

2007年8月研究人员结合与定向碳纳米管的可生物降解的纸电池，锂离子电池和超级电容器（称为bacitor）旨在充当。该设备采用本质上是一种液体盐，离子液体作为电解液。可以卷起的纸张，扭曲，折叠，切或不完整或效率损失，或堆积，像普通的纸（或伏打电堆），来提高总产量。他们可以在各种尺寸，从邮票到大报。其重量轻，成本低，使他们有吸引力的便携式电子设备，飞机，汽车，玩具（如模型飞机），而他们的能力，使用血液中的电解质，使他们潜在的有用的医疗器械，如心脏起搏器。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学