超级电容器的基本原理

为了给超级电容下定义，总结其特性和基本参数，下图给出了超级电容的基本工作原理。

超级电容器由两个电极组成，两个电极由浸泡在电解质中的隔膜隔开。

超级电容器的两个电极是通过在金属薄膜上沉积多孔材料而形成的，通常是铝，而碳（活性炭）是一种常用的多孔材料。充电时，超级电容器的电荷存储在多孔材料和电解质之间的界面处。活性炭的使用为电​​荷存储提供了非常大的活性表面，具有良好的导电性。

超级电容器电解质的作用是保证内部离子向电极的移动性。阴离子应该可以自由迁移到正极，同样，阳离子应该可以自由迁移到负极。电解质可以是固体，但大部分是液体。电解质的选择往往是超级电容器电池电压和离子电导率之间折衷的结果，追求离子电导率最大化可能导致选择的电解质分解电压低至1 V。由于氧化还原反应会导致过程中的不可逆反应在充电和放电阶段，必须限制超级电容器的工作电压（2.5 ~ 3V）。

超级电容器的隔膜通常是一张纸，起到绝缘作用，防止电极之间发生任何导电接触。但必须能浸入电解液中，且不影响电解液的离子电导率。

影响超级电容器能量密度的两个主要参数是最大允许端电压和电容量。

如前所述，超级电容器的最大端电压与所选择的电解质有关。目前使用的电解液可以提供2.5~3V的端电压。如果离子电导率在3V的端电压下受到影响，则需要相应降低电压。

超级电容器的电容范围可以从几法拉到几千法拉。电容值的计算是基于超级电容器的基本原理，即亥姆霍兹于1879年发明的双电层结构，如下图所示。

充电时，超级电容器电解液中的阴离子被吸引向正极移动，阳离子向负极移动，在各电极与电解液的界面形成双电层。也就是说，不同电层的电荷积累过程是不同的：正极附着正电荷和阴离子，负极附着负电荷和阳离子。这两个电层产生电容，如下式所示：

式中，C _dc 为双电层电容器的电容值；ε 是介电常数；A为电极的有效表面积；d 是类似于传统电容器的两个极板之间的等效距离。

能够解释超级电容器储能技术如此巨大电容值的首要因素是在电极中使用了多孔活性炭材料，大大增加了电极的有效表面积A，可以提供可观的电荷存储容量（3000m ² / G）。相反，等效距离d由附在正极上的阴离子的大小和附在负极上的阳离子的大小决定。通常，d在2×10 ^-10 m和10×10 ^-10 m之间。从上式可以看出，双电层电容器的电容值与d成反比，进一步增大了它的电容值。

因此，我们可以把超级电容想象成两个串联的电容，这两个电容分别代表两个电极上的电层。等效电容值与两个电极的有效表面积（由于使用多孔材料而增加）和阴阳离子的大小有关，可高达千法。最后，我们必须记住，超级电容器的最大允许电压是由所选择的电解液决定的，一般为2~3V。