電化學(xué)電容器簡(jiǎn)介

作者：黑金剛電容    發(fā)布時(shí)間：2022-11-15 12:21:14  訪問量：3231  來源：黑金剛電容

初識(shí)電化學(xué)電容器，電化學(xué)電容器簡(jiǎn)介

超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能裝置，由于其相對(duì)于傳統(tǒng)的平板電容器具有較高的能量密度，而相對(duì)于二次電池而言其具有較大的功率密度，因此它常常被描述為能夠“bridge the gap between capacitor and battery”。Maxwell公司公布的超級(jí)電容器與鋰電池性能對(duì)比以及超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比

關(guān)于超級(jí)電容器，有一本很經(jīng)典的書籍B. E. Conway的“Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentalsand Technological and applications”。要想詳細(xì)了解電容器知識(shí)的小伙伴可以仔細(xì)閱讀一下該書籍。這里主要基于文獻(xiàn)閱讀的形式來介紹一下電容器的相關(guān)知識(shí)。

B. 超級(jí)電容器的類型

根據(jù)超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)理，一般有兩種類型的電容器，i 基于離子吸附的雙電層電容器(EDLC);ii 基于快速且可逆的氧化還原反應(yīng)的贗電容電容器(pseudo-capacitor)

i 雙電層電容器(EDLC)

在高中物理物理中我們學(xué)到過平板電容器，如下圖所示：

介電常數(shù)能夠影響電容器的容量。使用電源對(duì)電容器進(jìn)行充電后，后正極相連的極板會(huì)聚集很多正電荷，而和負(fù)極相連的極板則會(huì)聚集很多負(fù)電荷。斷開電源后，使用用電器鏈接兩極板則能使正負(fù)電荷中和，釋放能量。

而對(duì)于雙電層的具體描述和研究可以追溯到19世紀(jì)Helmholtz提出的雙電層模型(圖2a)：

溶液種帶電固體表面的離子吸附模型(a)Helmholtz模型，(b)Gouy–Chapman模型，(c)Stem模型(圖片來源：Chem. Soc. Rev., 2009. 38. 2520–2531)

其模型是對(duì)平板電容器模型的一個(gè)“復(fù)制”，只不過電荷被吸附的帶有相反電荷的離子所替代。顯然，這個(gè)模型過于簡(jiǎn)單和理想化;這之后，有不同的科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行修正。現(xiàn)在普遍接受的模型，是結(jié)合Helmholtz模型(圖2a)和Gouy–Chapman模型(圖2b)的Stem模型(圖2C)。不過，其核心思想仍然是相反電荷相互吸引卻無法“碰面”，既相近又相離。而雙電層超級(jí)電容器(EDLC)正是基于這種吸附的機(jī)理來儲(chǔ)存能量的。根據(jù)平板電容器電容的計(jì)算公式，EDLC的容量公式可以如下所示：

C為電容，εr為電介質(zhì)介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，ε相對(duì)介電常數(shù)，A為有效比表面積，d為雙電層的有效厚度。由雙電層吸附模型可知，雙電層的厚度非常的小(pm級(jí)別)，而普通的平板電容器其極板間的距離為微米甚至是毫米級(jí)別，因此超級(jí)電容器的電容值要遠(yuǎn)大于平板電容器。不過，相對(duì)于電池(30 – 250 Wh/kg)來說，雙電層電容器的能量密度仍然較低，(< 5 Wh/kg)

由上面的公式可以看出，電容器的容量是和材料的比表面積成正比的。實(shí)際測(cè)試的結(jié)果卻并不盡然。因?yàn)殡姌O材料并不能完全被電解質(zhì)浸潤(rùn)，并不是所有的比表面積都是有效的。比表面積是材料孔結(jié)構(gòu)特征的其中一個(gè)表現(xiàn)，離子的吸附也是在孔中所進(jìn)行的。因此，研究離子和孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系對(duì)電容的影響有助于理解雙電層電容器的真正的儲(chǔ)能原理。

ii 贗電容電容器(pseudo-capacitor)

a. 贗電容電容器是基于電極的電化學(xué)活性物質(zhì)進(jìn)行快速且可逆的氧化還原反應(yīng)，從而儲(chǔ)存和釋放能量。釕的氧化物(RuO2)是最典型的代表。在酸性溶液中，RuO2的充放電過程會(huì)經(jīng)歷一下過程：

相對(duì)于雙電層電容器而言，贗電容電容器的能量密度更大一些，但是其功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面稍遜于雙電層電容器。

b.  當(dāng)發(fā)生氧化還原的物質(zhì)是在溶液中的時(shí)候，也是一種贗電容器。與上面所提到的不同的時(shí)，上面的氧化還原反應(yīng)大部分時(shí)發(fā)生在固體電極上的;如果氧化還原物質(zhì)在溶液中，當(dāng)其擴(kuò)散到電極上發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)(得失電子)得時(shí)候，其同樣能提供較大得容量。由于相應(yīng)得電化學(xué)活性物質(zhì)能在溶液中快速擴(kuò)散，因此其功率密度有所提高;但是其容量受制于其電解質(zhì)得溶解度，且該裝置自放電作用比較明顯。

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