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電化學電容器簡介

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電化學電容器簡介

作者│✘:黑金剛電容    釋出時間│✘:2022-11-15 12:21:14  訪問量│✘:423  來源│✘:黑金剛電容


初識電化學電容器◕☁,電化學電容器簡介

超級電容器是一種新型的儲能裝置◕☁,由於其相對於傳統的平板電容器具有較高的能量密度◕☁,而相對於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公司公佈的超級電容器與鋰電池效能對比以及超級電容器的優缺點的對比

關於超級電容器◕☁,有一本很經典的書籍B. E. Conway的“Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentalsand Technological and applications”₪│。要想詳細瞭解電容器知識的小夥伴可以仔細閱讀一下該書籍₪│。這裡主要基於文獻閱讀的形式來介紹一下電容器的相關知識₪│。

B. 超級電容器的型別

黑金剛電容

根據超級電容器的儲能機理◕☁,一般有兩種型別的電容器◕☁,i 基於離子吸附的雙電層電容器(EDLC);ii 基於快速且可逆的氧化還原反應的贗電容電容器(pseudo-capacitor)

i 雙電層電容器(EDLC)

在高中物理物理中我們學到過平板電容器◕☁,如下圖所示│✘:

介電常數能夠影響電容器的容量₪│。使用電源對電容器進行充電後◕☁,後正極相連的極板會聚集很多正電荷◕☁,而和負極相連的極板則會聚集很多負電荷₪│。斷開電源後◕☁,使用用電器連結兩極板則能使正負電荷中和◕☁,釋放能量₪│。

而對於雙電層的具體描述和研究可以追溯到19世紀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)

其模型是對平板電容器模型的一個“複製”◕☁,只不過電荷被吸附的帶有相反電荷的離子所替代₪│。顯然◕☁,這個模型過於簡單和理想化;這之後◕☁,有不同的科學家對其進行修正₪│。現在普遍接受的模型◕☁,是結合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₪│。而雙電層超級電容器(EDLC)正是基於這種吸附的機理來儲存能量的₪│。根據平板電容器電容的計算公式◕☁,EDLC的容量公式可以如下所示│✘:

C為電容◕☁,εr為電介質介電常數◕☁,ε0為真空介電常數◕☁,ε相對介電常數◕☁,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別◕☁,因此超級電容器的電容值要遠大於平板電容器₪│。不過◕☁,相對於電池(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₪│。實際測試的結果卻並不盡然₪│。因為電極材料並不能完全被電解質浸潤◕☁,並不是所有的比表面積都是有效的₪│。比表面積是材料孔結構特徵的其中一個表現◕☁,離子的吸附也是在孔中所進行的₪│。因此◕☁,研究離子和孔結構的關係對電容的影響有助於理解雙電層電容器的真正的儲能原理₪│。

ii 贗電容電容器(pseudo-capacitor)

a. 贗電容電容器是基於電極的電化學活性物質進行快速且可逆的氧化還原反應◕☁,從而儲存和釋放能量₪│。釕的氧化物(RuO2)是最典型的代表₪│。在酸性溶液中◕☁,RuO2的充放電過程會經歷一下過程│✘:

相對於雙電層電容器而言◕☁,贗電容電容器的能量密度更大一些◕☁,但是其功率密度和迴圈穩定性方面稍遜於雙電層電容器₪│。

b.  當發生氧化還原的物質是在溶液中的時候◕☁,也是一種贗電容器₪│。與上面所提到的不同的時◕☁,上面的氧化還原反應大部分時發生在固體電極上的;如果氧化還原物質在溶液中◕☁,當其擴散到電極上發生相應的氧化還原反應(得失電子)得時候◕☁,其同樣能提供較大得容量₪│。由於相應得電化學活性物質能在溶液中快速擴散◕☁,因此其功率密度有所提高;但是其容量受制於其電解質得溶解度◕☁,且該裝置自放電作用比較明顯₪│。




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