神秘的超級電容器*

吳彩燕　李成金　趙承良

(蘇州大學物理與光電·能源學部　江蘇 蘇州　215006)

*蘇州大學教改項目“基礎物理‘大班授課、小班研討’新型教學模式的探索與實踐”，項目編號：5731500613

神秘的超級電容器*

吳彩燕李成金趙承良

(蘇州大學物理與光電·能源學部江蘇 蘇州215006)

*蘇州大學教改項目“基礎物理‘大班授課、小班研討’新型教學模式的探索與實踐”，項目編號：5731500613

摘 要：電容是物理學的基本概念，電容器是電工電子線路中的基本元件．本文從微觀結(jié)構(gòu)、儲能機理等方面簡單介紹超級電容器．并結(jié)合傳統(tǒng)電容器概念及影響容量參數(shù)等因素闡述超級電容與物理電容的區(qū)別，從而揭示了超級電容容量遠大于物理電容的原因．

關鍵詞：電容器超級電容器電容分形結(jié)構(gòu)

超級電容器是一種新型儲能元件，基于人們對其原理、儲能特性、電極材料、應用等方面的研究，技術水平日新月異，近年來得到了飛快的發(fā)展．但我們發(fā)現(xiàn)，人們只知道其比容量比傳統(tǒng)的靜電電容器大，卻對其中的原因不甚了解．有些文獻對此作了簡單介紹，筆者在此基礎上做了更具體的說明以及定量計算[1].

1物理電容器

電容器不僅容納電荷，同時也儲存了電能．研究表明，在工作電壓(額定電壓)確定情況下，電容量越大，儲存的電能越多．

2超級電容器

隨著石油、煤以及天然氣等不可再生能源的不斷消耗，環(huán)境污染日趨惡化，人們在盡可能減少碳排放的同時，努力開發(fā)可再生能源．新型純電動汽車既可以實現(xiàn)零排放，又可以利用太陽能充電，可謂一舉兩得．目前市場上人們普遍看好的純電動汽車有鋰電池和超級電容兩種，后者的關鍵部件是超級電容．

為什么要研發(fā)超級電容呢？因為傳統(tǒng)的物理電容容量太小，能夠容納的電量(或電能)也就越少．例如，把偌大的地球看成一個電容器，其容量也只有700 μF左右，而目前單體超級電容器最大電容量達6 000 F，比容量可高達760 F/g[2].超級電容最早是由德國的物理學家、生理學家及解剖學家赫姆霍茲(Helmholtz)于1879年發(fā)現(xiàn)界面雙電層現(xiàn)象，并以平板電容器模型解釋時提出的．后來到1957年才由美國人Becker獲得了雙電層電容器的專利．直到20世紀80～90年代才實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并以電化學電容器實現(xiàn)了大功率動力啟動．

2.1雙電層超級電容器

雙電層電容是通過電解液正負電荷的分離來儲存能量的，即基于碳電極/電解液界面上電荷分離所產(chǎn)生的雙電層電容．

如圖1(a)，在超級電容器[3]極板上加電壓，正極板存儲正電荷，負極板存儲負電荷，兩個極板間有電勢差而形成一個電場，在該電場的作用下，電解液與被其充分浸潤的電極間的界面上形成了相反的電荷，且間隙極短．由于界面上存在位壘，兩層電荷都不能越過邊界彼此中和，實際上形成兩個容性存儲層，即雙電層．Helmholtz模型[4]認為溶液一側(cè)離子數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號相反，實際上，雙電層的厚度，還與電解質(zhì)的種類、濃度和離子尺寸有關．它和物理電容器中的電介質(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，緊密的雙電層近似于平板電容器．

圖1　雙電層電容器的工作原理

2.2影響超級電容器電容的因素

超級電容器的單元由一對電極、隔膜及電解質(zhì)組成，如圖1(b)所示，兩電極中間為阻塞電子、導通離子的隔膜，電極與隔膜均浸在電解液中．這些材料均影響著超級電容器的工作效率，并成為提高超級電容器儲能效率的主要研究對象．

(1)分形結(jié)構(gòu)

多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，其孔隙、孔通道、孔壁表面等都可視為分形結(jié)構(gòu)．分形是指各個組成部分的形態(tài)以某種方式與整體相似的一類形體，如圖2所示，在一正方體六個面上，分別去掉邊長為原邊長三分之一的立方體，再在剩下的立方體中重復同樣的操作，一直做下去，就得到門杰(K.Menger)“海綿”，這樣，與介質(zhì)接觸的面積就被無限放大．需強調(diào)的是，分形結(jié)構(gòu)實際上仍是一種理想模型，它是自然界中很多復雜物體的抽象，而自然界中有很多貌似不規(guī)則的物體，不具有對稱性，但卻有著相似的結(jié)構(gòu)，即隨機分形結(jié)構(gòu)．從圖3可清楚地看出，在使用電沉積法制備電極時，在枝晶的分枝上又生長出很多小的分枝，具有明顯分形生長的形貌．分形維數(shù)能準確描述不規(guī)則程度、充滿空間的程度或整體與局部的相關性，分形維數(shù)越高，微孔的不規(guī)則程度越大，空間復雜度越高[5]．

圖2　門杰“海綿”

圖3　石墨基的電沉積產(chǎn)物形貌

一直以來，國內(nèi)對分形理論的態(tài)度是：只能用來測量“分形維數(shù)”，無法討論復雜遷移過程，在這方面一直沒有實質(zhì)性進展．國外很多學者嘗試將分形理論應用于多孔介質(zhì)滲透率的研究，但目前還缺乏系統(tǒng)性的研究工作，還有很多問題有待解決．但目前，已可通過一定的方法，結(jié)合計算機，快速有效地表征多孔電極材料的有效表面積、孔徑大小的分布狀態(tài)及表面分形維數(shù)，為此類材料的制備及結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎．多孔介質(zhì)滲透率的研究及電極材料孔隙度的估計對于提高其電化學性能有著重要意義．

(2)電極材料的微觀結(jié)構(gòu)

具有較高比容量的電極材料對超級電容器至關重要．雙電層電容器的電極材料主要是具有高比表面積的碳材料，如活性碳、碳纖維等，其表面形貌具有分形特征．

除此之外，電極材料還要有便于電解液浸潤及離子快速運動的孔結(jié)構(gòu)．人們把分形理論應用于分析多孔介質(zhì)內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，形成了描述流體在無序介質(zhì)中隨機擴散和流動的逾滲模型[6]，電解液在電極中的浸潤過程便與之類似．該過程跟孔隙的連通性有關，且受到摩擦阻力、毛細力、吸附特性、死穴等因素的影響，有些孔徑太小以致電解質(zhì)離子無法進入，實驗證明，2 nm以下的孔徑不易被電解液所浸漬，一般不能形成有效雙電層．所以，并不是比表面積越大就越好，還要有合適的孔徑分布．

影響電容的因素還有電解液的電導率和分解電壓、隔膜性能、電阻等，這里不再詳述．

3超級電容器與物理電容器儲能的比較

(1)電極材料的有效比表面積S.活性炭多孔電極的比表面積可達1 000～3 000 m2/g[7].

(2)雙電荷層距離d.雙層電極中電荷之間的距離為電解質(zhì)溶劑的離子半徑，一般約為0.5 nm以下[8].

我們通過比較指甲大小的超級電容與物理電容的大小，來比較他們的儲能情況.

若超級電容器電極尺寸為1×1 cm2，厚0.01 mm，根據(jù)活性炭的密度(約0.5 g/cm3)，可算出此體積下活性炭的質(zhì)量，從而求出所對應的表面積約為104cm2，即為物理電容電極面積(1×1 cm2)的104倍；而超級電容的雙電荷層距離如上所示，物理電容(云母電容)的這一距離為1 000 nm，前者是后者的104倍．此外，超級電容器包括一對電極，每個電極的面積只有總面積的一半；且在結(jié)構(gòu)上相當于兩個電容器串聯(lián)，即

物理電容器通過增加導體材料的長度增加電容量，超級電容器通過錯綜復雜的孔隙微觀結(jié)構(gòu)增大表面積、緊密的雙電層結(jié)構(gòu)減少間距來增加電容量，這正是超級電容器具有如此驚人的大電容的原因所在．

4小結(jié)

本文分析了新型儲能元件超級電容器的工作原理，從微觀結(jié)構(gòu)研究了影響容量參數(shù)的因素，探究了超級電容遠大于物理電容的原因．超級電容器在儲能方面體現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，其工作過程，無任何化學反應，無污染，性能穩(wěn)定，是一種理想的儲能器件，可部分或全部替代電池，提高了風能、太陽能等間歇性能源的利用率，減少了對石油的依賴．其實，超級電容器是一個非常復雜、龐大的家族，找到價格低廉、性能優(yōu)越、適合于大量生產(chǎn)應用的正負極材料、電解質(zhì)材料，仍是目前研究的重點和熱點，如何大規(guī)模地把它應用到實際生產(chǎn)活動中，又是另外一個難題，但筆者相信，超級電容器在儲能界的地位，只會越來越重要．

參 考 文 獻

1倪江鋒.超級電容器中的物理問題.物理教師,2014(11)

2倪暉.論超級電容器的原理及應用.科協(xié)論壇(下半月),2013(8)

3B.E.Conway,Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications,Kluwer Academic/Plenum Publishing,New York,1999

4張娜,張寶宏.電化學超級電容器研究進展.電池,2003(5)

5楊鵬. 鋰離子電池多孔電極微觀結(jié)構(gòu)的分形特征.科技創(chuàng)新與應用,2013(36):20～21

6張東暉,楊浩,施明恒.多孔介質(zhì)分形模型的難點與探索.東南大學學報(自然科學版),2002(5)

7王康,余愛梅,鄭華均.超級電容器電極材料的研究發(fā)展.浙江化工,2010(4)

8汪于迪.碳納米管超級電容器研究.成都：電子科技大學,2013

收稿日期：(2015-04-21)

作者簡介：指導教師：李成金(1960-)，男，教授，主要從事大學物理教學及研究.