三、超级电容电池
超级电容（Super Capacitors）电池是与
蓄电池相似而又不同的一类储能装置，深度充放电循环使用次数可达50万次，如果对超级电容电池每天充放电20次，连续使用可达68年，且没有“记忆效应”。超级电容又名电化学电容（Electro Chemical Capacitors）、双电层电容（Electrical Doule-Layer Capacitors）、黄金电容、法拉电容，是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统
电容器与
蓄电池之间具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，但在其储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容电池可以反复充放电数十万次。其基本原理和其池种类的双电层电容一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
由于储能机理的不同，人们将超级电容分为基于高比表面积电极材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容和基于电化学欠电位沉积或氧化还原法拉第过程的赝电容（Pseud-ca-pacitor），赝电容与双电层电容的形成机理不同，但并不相互排斥。高比表面积准电容电极的充放电过程会形成双电层电容，双电层电容电极（如多孔炭）的充放电过程往往伴随有赝电容氧化还原过程发生，实际的电化学电容通常是两者共存的宏观体现，要确认的只是何者占主要的问题。实践过程中，人们为了达到提高
电容器的性能、降低成本的目的，经常将赝电容极材料和双电层电容电极材料混合使用，制成所谓的混合电化学电容。混合电化学电容可分为两类：一类是电容的一个电极采用赝电容电极材料，另一个电极采用双电层电容电极材料，制成不对称电容，这样可以拓宽电容的使用电压范围，提高能量密度；另一类是赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合组成复合电极，制备对称电容。超级电容的容量比通常的电容大得多，由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也称作“电容电池”或“黄金电池”。
1．双电层电容的基本原理
一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。作为补偿，带正电的正电极吸引电解液中的负离子，负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，由此产生的电容称为双电层电容。双电层电容原理是，由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。如图41所示，双电层由相距为原子尺寸的微小距离的两个相反电荷层构成，这两个相对的电荷层就像平板
电容器的两个平板一样，能量以电荷的形式存储在电极材料的界面。充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，同时，正负离子在固体电极上电荷引力的作用下从溶液体相中分离并分别移动聚集到两个固体电极的表面，形成双电层；充电结束后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。在放电时，电子通过负载从负极流到正极，在外电路中产生电流，正负离子从电极表面被释放进入溶液体相呈电中性。这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。
2. 法拉第顺电容的基本原理
法拉第赝电容也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征，故称为“准电容”，是作为双电层型电容的一种补充形式。法拉第准电容的充放电机理为：电解液中的离子（一般为H＋或OH－）在外加电场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中；若电极材料是具有较大比表面积的氧化物，就会有相当多这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路释放出来。在电极的比表面积相同的情况下，由于法拉第赝电容在电极中是由无数微等效电容电路的网络形式形成的，其电容量直接与电极中的法拉第电量有关，所以法拉第赝电容的比电容是双电层
电容器的10~100倍，目前对法拉第赝电容的研究工作成为一个重点方向。
超级电容的大容量和高功率充放电就是由上述两种原理产生的。充电时，依靠这两种原理储存电荷，实现能量的积累；放电时，又依靠这两种原理实现能量的释放。因此，制备高性能的超级电容有两个途径；一是增大电极材料比表面积，从而增大双电层电容量；二是提高电极材料的可逆法拉第反应的概率，从而提高准电容容量。但实际上对一种电极材料而言，这两种储能机理往往同时存在，只不过是以何者为主而已。
3. 超级电容电池的结构
超级电容电池的结构如图42所示，是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。
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