浅谈超级电容器在电力系统中的应用资料.docx

1 浅谈超级电容器在电力系统中的应用杜蕾佶,Z13030508, 国网宁波供电公司,从事营销低压用电检查工作一、超级电容器的概述 超级电容器产品介绍超级电容器,又叫双电层电容器、电化学电容器,黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知,插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层。它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是, 由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏。这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达 10^6 次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。浅谈超级电容器在电力系统中的应用 2 超级电容器的性能目前应用于超级电容器的电极材料有 3种:炭基材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。炭基材料电化学电容器能量储存的机理主要是靠炭表面附近形成的双电层,因此通常称为双电层电容。而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容:在这里,我们主要介绍炭基材料及金属氧化物材料。炭基电极材料炭材料具有粉末、块状、纤维状、布、毡等多种形态,具有以下独特的物理和化学性质,包括: (1) 高电化学导电性(2) 高比表面积(>3000 m2 . g-1) (3) 很好的防腐性能(4) 高热稳定性(5) 可控的孔结构(6) 可调的表面化学性质(7) 复合材料具有兼容性且易加工(8) 廉价易得因为具有以上多种形态及特点,炭材料被广泛的用作超级电容器的电极材料。炭材料能在不同的溶液中(从强酸到强碱)保持化学性质的稳定,并且能在较宽的温度范围下工作。通常电容值正比于电极材料的电化学活性面积和电解液的相对介电常数,而与所形成的双电层厚度成反比。理论上,多孔炭材料的比表面积越大,比电容越高。炭材料的多孔结构决定了离子的传输,且孔道内电解液离子的迁移率和 EDLC 的性能密切相关。研究发现炭材料的电化学导电性严重影响电化学双电层电容器的厚度。由炭材料表面上的官能团决定的炭材料的表面湿度是影响电容器性能的另一个因素。在这些因素中,最重要的就是要达到比表面积积和直径分布的一个平衡点。浅谈超级电容器在电力系统中的应用 3 超级电容器的工作原理超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时,与普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负极板存储负电荷, 在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下,在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上,以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫做双电层,因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上电荷不会脱离电解液,超级电容器为正常工作状态(通常为 3V 以下),如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将分解, 为非正常状态。由于随着超级电容器放电,正、负极板上的电荷被外电路泄放, 电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出:超级电容器的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应。因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同的。 超级电容器优点由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点: ,超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加,根据电容量的计算公式,那么两极板的表面积越大,则电容量越大。因此,一般双电层电容器容量很容易超过 1F,它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了 3554 个数量级,目前单体超级电容器的最大电容量浅谈超级电容器在电力系统中的应用 4 可达 5000