电化学电容器的特点及应用

电化学电容器的特点及应用

随着科学技术的发展，人类生活环境的提高，对能源的要求也越来越多样化，也要求储能设备具有更高的能量密度和功率密度，来替代或者辅助当前使用的电池。对电动汽车发展的要求更促使了对新型储能设备的研制。

电化学电容器(Electrochemical Capacitor，EC)有着法拉级的超大电容量，比传统的静电电容器的能量密度高上百倍，它的功率密度较电池高近十倍，充放电效率高，不需要维护和保养，寿命长达十年以上，是一种介于传统静电电容器和化学电源之间的新型储能元件。电化学电容器现在有不同的称呼，有超电容器(Supercapacitor)，超大容量电容器(Ultracapacitor)，双电层电容器(Electr ic double layer capacitor，EDLC)，以及金电容(Gold capacitor)等。

l 电化学电容器的原理和特点

根据电化学电容器储存电能的机理的不同，可以将它分为双电层电容器(El ectric double layercapacitor)和赝电容器(Pesudocapacitor)。

1．1双电层电容器的原理

双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。

双电层电容器电极通常由具有高比表面积的多孔炭材料组成。炭材料具有优良的导热和导电性能，其密度低，抗化学腐蚀性能好，热膨胀系数小，可以通过不同方法制得粉末、颗粒、块状、纤维、布、毡等多种形态。目前双电层电容器的炭材料有：活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、碳气凝胶、碳纳米管(CNT)、玻璃碳、网络结构炭以及某些有机物的炭化产物。对炭材料的研究主要集中在活性炭，碳纳米管和碳气凝胶上。活性炭材料主要是提高其有效比表面积和可控微孔孔径(>2nm)。近年来有文献报道，通过合理控制孔径分布及表面积，在水溶液和非水溶液中活性炭电极可分别得到高达280 F／g和120 F 的比电容量。碳气凝胶由美国Lawrence Livermore NationalLaboratory开发出来，现在已经由Pow erstor公司生产出碳气凝胶超大容量电容器，具有超高容量，极低的。，宽的温度范围，但此材料的制备相对较繁琐。碳纳米管用于电化学电容器的电极材料具有独特的中孔结构，良好的导电性，比表面积大，适合电解液中离子移动的

孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构，因此，被认为是电化学电容器的理想电极材料，成为研究热点，并取得了很大进展。

1．2赝电容器的基本原理

继双电层电容器后，又发展了赝电容器。赝电容，也称法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附，脱附或氧化，还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。赝电容不仅在电极表面，而且可在整个电极内部产生，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍。来源:输配电设备网

目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。目前对金属氧化物电极电化学电容器所用电极材料的研究，主要是一些过渡金属氧化物，如a —MnO2‘nH20、a—V205•nH20、a—RuO2•nH20、IrO2、Ni0 、H3PM ol2040‘nH 20、W 03、Pb02、Co304、SrRuO3等，另外还有发展金属的氮化物y-M~N作电极材料。金属氧化物基电容器目前研究最为成功的电极材料主要是氧化钌，由于贵金属的资源有限，价格过高将限制对它的使用，对于金属氧化物电容器的研究主要在于降低材料的成本，寻找较廉价的材料。

用导电聚合物作电化学电容器的电极材料是近年来发展起来的一个新的研

究领域。其电能储存机理是通过电极上聚合物中发生快速可逆的n型或P型元素掺杂和去掺杂氧化还原反应，使聚合物达到很高的储存电荷密度，从而产生很高的赝电容达到储能目的。导电聚合物材料具有良好的电子导电性，因此制作的电容器内阻小，比电容量大，通常聚合物电容器的比能量比活性炭作电极的电化学电容器要大2～3倍。常见的导电聚合物材料有：聚吡咯(Polypyrroles，PP、r)、聚噻吩(Polythiophenes)、聚苯胺(Polyaniline，PAN)、聚对苯(Polyparaphen ylene，PPP)、聚并苯(Polyacenes，PAS)、聚乙炔二茂铁(Polyvinylferrocene，PVF)、聚亚胺酯以及它们衍生物的聚合物(如聚3一(4一氟苯基)噻吩，聚反式二噻吩丙烯氰)。目前对导电聚合物电容器的研究主要集中在提高其循环寿命上。

1．3电化学电容器的特点

电化学电容器作为一种新的储能元件，具有如下优点：

(1)超高电容量(0．1～6000 F)。EC与钽、铝电解电容器相比较，电容量大得多，比同体积电解电容器电容量大2000～6000倍。

(2)漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长。

(3)功率密度高，与充电电池相比，可作为功率辅助器，供给大电流。EC 最适合用于要求能量持续时间仅为l ～102 S的情况。

(4)充放电效率高，超长寿命，充放电大于40万次。EC 电量的储存是通过离子的吸脱附而不是化学反应，故能快速充放电。充电电池在反复充放电时电极的结晶结构会变差，甚至最终不能再充电，即寿

命问题。而EC在充放电时仅产生离子的吸脱附，电极结构不会发生变化，因此其充放电次数原理上没有限制。另外，对过充电或过放电有一定的承受能力，在短时间过压一般不会使装置产生严重影响，可稳定地反复充放电。

(5)放置时间长。EC有更长的自身寿命和循环寿命，EC 超过一定时间会自放电到低压，但仍能保持其电容量，且能充电到原来的状态，即使几年不用仍可保留原有的性能指标。

(6)温度范围宽一40～+70℃，一般电池是_20～ +60℃。在低温时电池中化学反应速度极慢而EC中离子的吸脱附速度变化不大，故其电容量变化也比充电电池小得多。

(7)免维护，环境友善。但是，目前电化学电容器还有一些需要改进的地方，如能量密度较低，体积能量密度较差，和电解电容器相比，工作电压较低，一般水系电解液的单体工作电压为0～1．4V，且电解液腐蚀性强；非水系可以高达4．5 V，实际使用的一般为3．5V，作为非水系电解液要求高纯度，无水，价格较高，并且非水系要求苛刻的装配环境。

2 电化学电容器的应用

由于电化学电容器上述的特点，一问世便受到人们的重视，已在很多领域得到成功的应用，并且应用范围还在不断地扩大。目前电化学电容器的发展正在逐步进入成熟期。近几年来，双电层电容器的年销售额都保持在1 000万美元以上，并且逐年稳步增长，到1997年其年销售额已经超过1．3亿美元，2001年达2亿美元。电化学电容器以其大容量，高能量密度，大电流，多次充放电等性能，使其在工业、消费电子、电信通讯、医疗器械、国防、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。其外观形式也多种多样，有圆形，长方形，贴片型等，如图1

所示。现将主要应用范围举例如下：目前已经开发的电化学电容器根据放电量、放电时间以及电容量大小，主要用作后备电源、替换电源和主电源：

(1)作后备电源目前电化学电容器应用最广的部分是电子产品领域，主要是充当记忆器、电脑、计时器等的后备电源。当主电源中断、由于振动产生接触不良或由于其它的重载引起系统电压降低时，EC 就能够起后备补充作用。其电量通常在微安或毫安级。典型的应用有：录像机、Tv卫星接收器、汽车音频系统、出租车的计量器、无线电波接收器、出租计费器、闹钟、控制器、家用面包机、