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雙電層電容器是建立在德國物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知,插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷,從而使相間產(chǎn)生電位差。

那么,如果在電解液中同時插入兩個電極,并在其間施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓,這時電解液中的正、負(fù)離子在電場的作用下會迅速向兩極運(yùn)動,并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層,即雙電層,它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的極化電荷相似,從而產(chǎn)生電容效應(yīng),緊密的雙電層近似于平板電容器,但是,由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多,因而具有比普通電容器更大的容量。

雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大,因此,可在無負(fù)載電阻情況下直接充電,如果出現(xiàn)過電壓充電的情況,雙電層電容器將會開路而不致?lián)p壞器件,這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。

同時,雙電層電容器與可充電電池相比,可進(jìn)行不限流充電,且充電次數(shù)可達(dá)10^6次以上,因此雙電層電容不但具有電容的特性,同時也具有電池特性,是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。

基本原理為:當(dāng)向電極充電時,處于理想極化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子,使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層,構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小(一般0.5nm以下),再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu),使電極表面積成萬倍的增加,從而產(chǎn)生極大的電容量。

超級電容器的工藝流程為:配料→混漿→制電極→裁片→組裝→注液→活化→檢測→包裝。

超級電容器在結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似,它們的主要區(qū)別在于電極材料。早期的超級電容器的電極采用碳,碳電極材料的表面積很大,電容的大小取決于表面積和電極的距離,這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離,使超級電容器的容值可以非常大,大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級,一般情況下容值范圍可達(dá)1-5000F。

超級電容器通常包含雙電極、電解質(zhì)、集流體、隔離物四個部件。超級電容器是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的電容量的。在超級電容器中,采用活性炭材料制作成多孔電極,同時在相對的兩個多孔炭電極之間充填電解質(zhì)溶液,當(dāng)在兩端施加電壓時,相對的多孔電極上分別聚集正負(fù)電荷,而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場作用分別聚集到與正負(fù)極板相對的界面上,從而形成雙集電層。

超級電容器的類型比較多,按不同方式可以分為多種產(chǎn)品,以下作簡單介紹。

按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器:

雙電層型超級電容器,包括

活性碳電極材料,采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過成型制備電極。
碳纖維電極材料,采用活性炭纖維成形材料,如布、氈等經(jīng)過增強(qiáng),噴涂或熔融金屬增強(qiáng)其導(dǎo)電性制備電極。
碳?xì)饽�膠電極材料,采用前驅(qū)材料制備凝膠,經(jīng)過炭化活化得到電極材料。
碳納米管電極材料,碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性,采用高比表面積的碳納米管材料,可以制得非常優(yōu)良的超級電容器電極。
以上電極材料可以制成:

平板型超級電容器,在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極,另外也有Econd公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級電容器,可以達(dá)到300V以上的工作電壓。
繞卷型溶劑電容器,采用電極材料涂覆在集流體上,經(jīng)過繞制得到,這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。
贗電容型超級電容器:包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料,金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料,活性炭作為負(fù)極材料制備的超級電容器,導(dǎo)電聚合物材料包括ppY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極,以此制備超級電容器。這一類型超級電容器具有非常高的能量密度,除NiOx型外,其它類型多處于研究階段,還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
按電解質(zhì)類型可以分為水性電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)類型:

水性電解質(zhì),包括以下幾類

酸性電解質(zhì),多采用36%的H2SO4水溶液作為電解質(zhì)。
堿性電解質(zhì),通常采用KOH、NaOH等強(qiáng)堿作為電解質(zhì),水作為溶劑。
中性電解質(zhì),通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì),水作為溶劑,多用于氧化錳電極材料的電解液。
有機(jī)電解質(zhì)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(zhì),有機(jī)溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機(jī)溶劑作為溶劑,電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度。

另外還可以分為:

液體電解質(zhì)超級電容器,多數(shù)超級電容器電解質(zhì)均為液態(tài)。
固體電解質(zhì)超級電容器,隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的發(fā)展,應(yīng)用于超級電容器的電解質(zhì)也對凝膠電解質(zhì)和PEO等固體電解質(zhì)進(jìn)行研究。

電化學(xué)電池(3-5·W·H /千克為一個標(biāo)準(zhǔn)的超級電容器每單位重量儲存的能量是一般較低,盡管85瓦時/公斤已在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn),2010年,相比, 30-40·W·H /公斤的鉛酸電池,100-250·W·H /公斤的鋰離子電池,約1/1萬分之一體積的汽油的能量密度;
具有最高的任何類型的電容器的介質(zhì)吸收;
高自放電率——-大大高于電化學(xué)電池;
最大電壓低 - 需要系列連接,以獲得更高的電壓,可能需要電壓平衡;
與電化學(xué)電池相比,雙電層電容器(包括其他類型電容器)隨著能量的釋放電壓會顯著下降。它的充電放電需要復(fù)雜的電子控制和開關(guān)設(shè)備,隨之會帶來能量損失。一個多電壓5.3 W EDLC的醫(yī)療設(shè)備電源的詳細(xì)論述了詳細(xì)的設(shè)計(jì)原則。它使用在約150秒共55 F的電容,收費(fèi),運(yùn)行約60秒。電路采用開關(guān)模式穩(wěn)壓器,線性穩(wěn)壓器的清潔和穩(wěn)定的電力,減少約70%的效率。開關(guān)穩(wěn)壓器,降壓,升壓,降壓 - 升壓類型的討論,并得出結(jié)論,大不相同跨EDLC的降壓 - 升壓電壓是最好的,增加第二個最好,降壓不宜;
非常低的內(nèi)部電阻——允許極快速放電。短路時,會比任何其他類型電容或電化學(xué)電池更危險。

壽命長,有點(diǎn)退化了數(shù)以十萬計(jì)的充電周期。由于電容的充放電循環(huán)(百萬或更多的200至1000大部分市售的充電電池相比)的高數(shù)量將持續(xù)為大多數(shù)設(shè)備的整個生命周期,這使得環(huán)保設(shè)備。充電電池通常穿了幾年了,和他們的高活性化學(xué)電解質(zhì)提出了處理和安全隱患�？梢灾皇杖×擞欣�的條件下,一個理想的速度,對于一些化學(xué)物質(zhì),盡可能少地優(yōu)化電池壽命。雙電層電容器與電池結(jié)合作為電荷調(diào)節(jié),存儲從其他來源的能量負(fù)載均衡的目的,然后使用充電電池,在適當(dāng)?shù)臅r間,任何多余的能量可以幫助;
每個周期的成本低;
良好的可逆性;
充電和放電率非常高;
非常低的內(nèi)部電阻(ESR)和隨之而來的高周期效率(95%以上)和極低的加熱水;
高輸出功率;
比功率高。根據(jù)ITS(交通研究學(xué)院,戴維斯,加利福尼亞)的測試結(jié)果,雙電層電容器的具體功率可超過6千瓦/千克,95%的效率;
提高了安全性,無腐蝕性的電解質(zhì)和低毒性的材料;
簡單的收費(fèi)方法,沒有充分充電檢測是必要的,沒有濫收費(fèi)用的危險;
配合使用充電電池時,在某些應(yīng)用中EDLC的很短的時間提供能量,減少電池自行車稅和延長壽命。

在一般情況下,雙電層電容器通過了納米材料的使用,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣層,通常活性炭提高存儲密度�；钚蕴渴且粋�非常多孔,"海綿"碳形式有一個非常高的比表面積 - 一個共同的近似是1克(鉛筆橡皮擦般大小的量),有一個大約250平方米的表面面積大小 - 一個網(wǎng)球場。它通常是極其精細(xì),但很"粗糙"的粒子,其中,散裝,形成許多小孔的低密度堆粉末。由于這種材料甚至是一層薄薄的表面積是許多倍,比傳統(tǒng)材料,如鋁,越來越多的電荷載體(電解質(zhì)的離子或自由基)可以存儲在一個給定的體積。由于碳是不是一個很好的絕緣體(與傳統(tǒng)設(shè)備所使用的優(yōu)良絕緣體),一般雙電層電容器限于低2-3至五為了潛力,因此必須是"堆疊"(串聯(lián)),只是作為傳統(tǒng)電池必須提供更高的電壓。

活性炭是不是"完美"的申請材料。其實(shí)運(yùn)營商的收費(fèi)(效果)相當(dāng)大,特別是由分子的包圍時,往往大于木炭留下的洞,這是接受他們太小,限制了存儲。

截至2010年,幾乎所有的商業(yè)超級電容器用粉末活性炭由椰子殼制成的。性能更高的設(shè)備是可用的,在一個顯著的成本增加,合成碳與氫氧化鉀(KOH)激活的前體的基礎(chǔ)上。

在雙電層電容器的研究主要集中在改進(jìn)的材料,提供更高的可用表面積。

石墨具有優(yōu)異的表面面積每單位重量或體積密度,高導(dǎo)電性,可以在各個實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的,但不是在批量生產(chǎn)。特定的能量密度為85.6瓦/公斤,在室溫和136瓦時/公斤,在80℃(所有總電極重量計(jì)算),在電流密度為1 A / G來衡量,已觀察到。這些能量密度值是鎳氫電池媲美。設(shè)備的充分利用,最高的內(nèi)在表面電容及單層石墨比表面積預(yù)備彎曲不重新堆疊面對面的石墨薄片。彎曲的形狀,使訪問和對環(huán)境無害的離子液體能夠在電壓> 4可濕性孔形成五。

碳納米管具有優(yōu)良的nanoporosity屬性,使聚合物的微小空間,坐在管中,并作為介質(zhì)。碳納米管可以存儲大約每單位面積,但碳納米管(這幾乎是純碳作為木炭相同的電荷)可以安排在一個更經(jīng)常的模式,公開更多合適的表面積。電容器的碳納米管除了可以大大改善和提高雙電層電容器的性能。由于高表面積和高導(dǎo)電性的單壁碳納米管,這些碳納米管除了允許這些電容器優(yōu)化。多壁碳納米管在電極孔,方便離子允許存在/電解質(zhì)界面。碳納米管薄薄的墻壁,允許在雙電層電容器的高電容。通過添加多壁碳納米管,這些電容器,電極的電阻可以降低。電容與多壁碳納米管纖維細(xì)胞有較高的電子和電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率,比沒有這些碳納米管的細(xì)胞。這些納米管也有所改善電力電容器的能力。

碳?xì)饽�膠提供了極高的表面積約400-1000平方米/克的重量密度。氣凝膠超級電容器的電極通常由碳纖維制成,并涂上有機(jī)氣凝膠,然后經(jīng)過裂解無紡紙的一種復(fù)合材料。碳纖維結(jié)構(gòu)的完整性和氣凝膠提供所需的表面積大。小氣凝膠超級電容器被用作微電子備份的電力儲存。氣凝膠電容只能工作在幾伏的高電壓電離的碳和損壞電容。碳?xì)饽�膠電容已經(jīng)達(dá)到325焦耳/克(90·W·H /公斤)的能量密度和功率密度20 W / G。

固體活性炭,也稱為綜合的無定形碳(CAC)。它可以有一個表面面積超過2800平方米/克,可能更便宜比氣凝膠碳生產(chǎn)。

2007年8月研究人員結(jié)合與定向碳納米管的可生物降解的紙電池,鋰離子電池和超級電容器(稱為bacitor)旨在充當(dāng)。該設(shè)備采用本質(zhì)上是一種液體鹽,離子液體作為電解液。可以卷起的紙張,扭曲,折疊,切或不完整或效率損失,或堆積,像普通的紙(或伏打電堆),來提高總產(chǎn)量。他們可以在各種尺寸,從郵票到大報(bào)。其重量輕,成本低,使他們有吸引力的便攜式電子設(shè)備,飛機(jī),汽車,玩具(如模型飛機(jī)),而他們的能力,使用血液中的電解質(zhì),使他們潛在的有用的醫(yī)療器械,如心臟起搏器。