各类电池工作原理及常用电极材料

各类电池工作原理及常用电极材料

各类电池工作原理及其常用电极材料

目录 1 超级电容器 ..2 1.1 超级电容器概

述 ...................................................... .................................................. 2 1.2 超级电容器工作原

理 ...................................................... .......................................... 4 1.3 超级电容器用电极材

料 ...................................................... ...................................... 6 2 质子交换膜燃料电

池 ...................................................... .. (8)

2.1 质子交换膜燃料电池工作原

理 ...................................................... .......................... 8 2.2 质子交换膜燃料电池结

构 ...................................................... ................................ 10 2.2.1 质子交换膜燃料电池膜电极组件结

构 ......................................................

................. 10 3 铅酸电池 ....13 3.1 铅酸电池的构造及工作原

理 ...................................................... ............................ 13 3.2

..................................................... ................. 14 3.3

..................................................... ..................... 16 3.4 铅酸电池的板

栅 ...................................................... ................................................ 18 4 太阳能电池 .18 4.1 太阳能电池材

料 ...................................................... ................................................ 18 4.2 太阳能电池的原

理 ...................................................... ............................................ 20 4.3 太阳能电池光伏组件基本结

构 ...................................................... (23)

各类电池工作原理及其常用电极材料 1 超级电容器 1.1 超级电容器概述图 1-1 超级电容器组成示意图

超级电容器，也被称为电化学电容器，是一种介于传统电容器与电池之间的一种储能器件。

常见的超级电容器单体有叠片式、纽扣式、双极式以及卷绕式，其组成结构主要包括集流体、电极材料、电解液、隔膜及外壳材料，如图 1-1 所示。超级电容器的电极材料一般是由活性物质、导电剂和粘结剂三部分组成。活性材料是电荷存储的载体，是直接影响超级电容器储能性能的主要指标。导电剂可以加速电子的移动速率，从而降低超级电容器的

内阻，实现快速、完全的充放电。常用的导电剂有乙炔黑、Super-P、炭黑以及石墨烯等。粘结剂又称为粘合剂，是用来粘结电极材料与集流体之间的。常用的粘结剂主要有聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯等。超级电容器的集流体是承载电极材料并汇集电流，常见的集流体有不锈钢网、泡沫镍、铜箔、铝箔、钛网等。超级电容器的电解液分为固态电解质和液态电解液，液态电解液又分为水系电解液和非水系电解液，水系电解液的离子电导率较高、成本较低、安全性高，在空气中便可使用，水系电解液分为碱性、酸性和中性三种，常用的碱性电解液主要是不同浓度的KOH、NaOH、LiOH 溶液等，酸性电解液主要为不同浓度的H 2 SO 4溶液，中性电解液有 Na 2 SO 4 、K 2 SO 4 、NaNO 3 等。非水系电解液指有机体系电解液，主要是由溶质和溶剂两部分组成，常用的溶剂是乙腈、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸

二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）等，常见的溶质有高氯酸锂（LiClO 4 ）、四乙基四氟硼酸铵（季铵盐）等。无论是水系电解液还是有机系电解液，封装时，都不可避免的出现了漏液的问题，从而限制了超级电容器在某些领域的应用。与液态电解液相比，固态电解质由于无泄漏、电势窗口宽等特点而倍受关注。常见的超级电容器用固态电解质有凝胶电解质和固态聚合物电解质。凝胶电解质的电导率和有机电解液相差不大（10 -3 S cm -1 ）。而大多数聚合物电解质在室温下的电导率较低，电极与电解质的界面接触较差。隔膜因

具有离子导通，电子阻塞的特性，在电池内部能够吸附并储存电解液。根据电解液的浸润性，隔膜分为水系隔膜和有机系隔膜。

1.2 超级电容器工作原理 1.

2.1 双电层电容器储能机理图1-2 双电层电容器储能机理

图 1-2 为双电层超电容的储能机理图。超级电容器主要由电极材料、电解质和隔膜组成，当对超级电容器施加一定的电压时，电极材料表面上的静电荷会吸引电解溶液中不规则分配的带异种电荷的离子，在电极/溶液界面会形成一层电量相等的异性电荷，从而形成双电层。双电层电容器主要通过电极/电解液界面的双电层来储存电荷。充电时，电子通过外加电路由正极移动至负极，此时，电解液中的异性电荷被吸引，从而在电极/溶液界面形成稳定的双电层。放电时，电子通过外电路由负极流向正