超級電容技術(shù)分析及應用

　無(wú)論如何稱(chēng)呼，超電容(ultracapacitor)或者超級電容(supercapacitor)這類(lèi)新型電容都比傳統的電容器的電容大得多。直接地說(shuō)，您現在可以購買(mǎi)到額定值為5～10F/2.5V的徑向引線(xiàn)式板載電容、額定值為120～150F/5V的閃光燈電池大小的電容，更大的單電容可以達到650～3000F/2.7V的電容值。注意，所有這些電容器的電容值都是以法拉為單位的。而在不久以前，兩千微法的器件就被認為是大電容了。

　　如果您需要更多種類(lèi)的電容，您可以訂購電容額定值為20F到500F、電壓額定值為15V到390V的各種電容器現貨。如果采用適當的串/并聯(lián)組合，您甚至可以用這類(lèi)電容驅動(dòng)一輛巴士(bus)——對，不是電路板上的布線(xiàn)，而是載人的巴士汽車(chē)。(盡管混合燃料系統、化學(xué)電池和燃料電池指日可待，但是它們遲遲沒(méi)有正式投入使用)。

　　在研發(fā)超電容時(shí)，人們并沒(méi)有發(fā)現什么新的物理定律。實(shí)際上，有關(guān)超電容的原理仍然要追溯到德國物理學(xué)家赫爾姆霍茲。與普通電容器一樣，超電容也是采用在兩個(gè)“極板”之間儲存電荷的形式來(lái)儲存能量的。電容值的大小與極板的面積以及兩極板之間所用的介電材料成正比，與兩極板之間的距離成反比。但是，超電容的原理有所不同。

　　在用超電容實(shí)現巨大的電容之前，我們就已經(jīng)掌握了電解化學(xué)(electrolytics)的原理。超電容不是電解化學(xué)，但是了解電解化學(xué)有助于我們認識超電容這一新型的技術(shù)。

　　之所以稱(chēng)之為電解化學(xué)，是因為它的一個(gè)(或兩個(gè))“極板”是在金屬襯底的表面形成的非金屬電解質(zhì)。在制造過(guò)程中，電壓驅動(dòng)電流從陽(yáng)極金屬板通過(guò)導電的電鍍槽流向陰極。這樣就會(huì )在陽(yáng)極的表面產(chǎn)生一層絕緣的金屬氧化物——電介質(zhì)。

　　在電解化學(xué)中，當把電極浸入到電解溶液中時(shí)，會(huì )在電極分界面上出現電荷累積和電荷分離的現象。電解液中反向帶電離子的累積補償了電極表面的剩余電荷。這一分界面稱(chēng)為赫爾姆霍茲層(Helmholtz layer)。

　　超電容的結構不再是那種中間填充介電材料的平板電極(或者卷成管狀的平板電極)結構——就像三明治中間的花生醬。在超電容中，電荷的充/放電發(fā)生在電解質(zhì)中多孔碳精材料或多孔金屬氧化物之間的分界面上。

　　Helmholtz層引起了一種稱(chēng)為雙層電容的效應。當把一個(gè)直流電壓加載到超電容中多孔碳精電極的兩端，用于電荷補償的陽(yáng)離子或陰離子就會(huì )在帶電電極周?chē)碾娊庖褐邪l(fā)生累積。如果分界面上不出現電子遷移，那么“兩層”分離的電荷(金屬一側的電子或電子空穴，以及界面邊界電解液一側的陽(yáng)離子或陰離子)就會(huì )出現在分界面上(如圖1所示)。

　　圖1：超電容實(shí)質(zhì)上包含兩個(gè)極板和一塊懸掛在電解液中的隔板。正極板吸引電解液中的陰離子。負極板吸引陽(yáng)離子。這形成了所謂的電化學(xué)雙層電容(EDLC)，其中具有兩層電容式存儲結構。

　　Helmholtz-region電容的大小取決于多孔碳精電極的面積以及電解液中的離子容量。雙層電極上每平方厘米的電容大小是普通介電電容的10000倍。這是因為雙層電極中電荷之間的距離大約只有0.3到0.5nm，而電解化學(xué)中這一距離為10到100nm，云母電容或聚苯乙烯電容為1000nm。

　　我們已經(jīng)對這種“雙層”電極的原理有所了解。但是，這種雙層結構降低了實(shí)際器件應該達到的理論電容值，因為超電容包括一對電極，每個(gè)電極的面積只有總面積的一半。另外，超電容實(shí)際上是兩個(gè)電容相串聯(lián)而成的。因此，超電容的實(shí)際電容值只有根據電極面積和離子容量計算出來(lái)的理論電容值的四分之一。

　　　電池與超電容

　　有些文獻喜歡將電池和超電容混為一談，掩蓋了二者很多重要的差異：

　　電池存儲的是以瓦時(shí)計算的能量，電容存儲的是以瓦特計算的功率。

　　電池以長(cháng)時(shí)間恒定的化學(xué)反應來(lái)提供電能，充電時(shí)間相對較長(cháng)，對充電電流的特性要求比較苛刻。相反，電容的充電是通過(guò)加載在其兩端的電壓來(lái)完成的，充電速度在很大程度上取決于外部電阻。電池能夠在較長(cháng)一段時(shí)間內以基本恒定的電壓輸出電能。而電容的放電速度很快，輸出電壓呈指數規律衰減。

　　電池只能夠在有限的充/放電次數內保持良好的工作狀態(tài)，充/放電的次數取決于它們放電的程度。電容，尤其是超電容，可以反復充/放電達數千萬(wàn)次。(這也是超電容不同于電解化學(xué)的一個(gè)重要方面——它們不像電解化學(xué)的工作過(guò)程那樣具有電極板充放電次數的限制。)