16、超级电容器的综合分析

超级电容器的综合分析

1. 引言

在电力存储设备中，电池是人们最为熟悉的储能系统。电池的主要优势在于其具有高能量密度、较轻的重量和较小的体积。然而，电池也存在诸多局限性，如功率密度低、使用寿命短等。近年来，对功率的需求急剧增加，因此，寻找一种能够辅助电池的替代能源变得至关重要。超级电容器凭借其高功率密度、长使用寿命、耐高温以及高充放电效率等显著特性，成为了支持电池的理想储能设备。此外，即使超级电容器闲置多年，仍可再次使用，这是电池所不具备的优势。

超级电容器的结构是将两个电极浸入电解质中，并在电极之间设置隔膜。电极采用具有高表面积的多孔材料，孔径在纳米范围内，其表面积远大于电池电极。19世纪，亥姆霍兹首次发现了导体与离子溶液界面处的电荷存储现象，后来这一现象被命名为双电层。与普通电容器相比，双电层的厚度更小。通过使用大表面积的电极，超级电容器的电容可以达到法拉级。超级电容器的功率密度高于电池，对于电力应用而言，其能量密度是电解电容器的10 - 20倍。这些电容器属于低电压设备，与电池类似，可以通过串联多个电池单元来实现更高的电压。与传统电容器不同，超级电容器使用电解质而非介电介质，因此能够在电极与电解质的界面处存储电化学能。超级电容器可以使用液体和固体电解质。在电解质中，带正电荷的移动电荷载体可以在带负电荷的电极附近聚集，而带负电荷的载体浓度则会降低。这样，在电极与电解质的界面附近的电解质中会形成一个空间电荷区域，从而获得较大的电化学电容。

在这些电化学电容器中，双电层电容可以达到很高的值，具体取决于电解质和电极的性质。一般来说，空间电荷层的厚度与电极之间的距离相比可以忽略不计。此外，电极与电解质之间的整个界面都有助于双电层的形成。因此，超级电容器通常由具有非常大电极表面积的电极