神秘的超级电容器*

吴彩燕　李成金　赵承良

(苏州大学物理与光电·能源学部　江苏 苏州　215006)

*苏州大学教改项目“基础物理‘大班授课、小班研讨’新型教学模式的探索与实践”，项目编号：5731500613

神秘的超级电容器*

吴彩燕李成金赵承良

(苏州大学物理与光电·能源学部江苏 苏州215006)

*苏州大学教改项目“基础物理‘大班授课、小班研讨’新型教学模式的探索与实践”，项目编号：5731500613

摘 要：电容是物理学的基本概念，电容器是电工电子线路中的基本元件．本文从微观结构、储能机理等方面简单介绍超级电容器．并结合传统电容器概念及影响容量参数等因素阐述超级电容与物理电容的区别，从而揭示了超级电容容量远大于物理电容的原因．

关键词：电容器超级电容器电容分形结构

超级电容器是一种新型储能元件，基于人们对其原理、储能特性、电极材料、应用等方面的研究，技术水平日新月异，近年来得到了飞快的发展．但我们发现，人们只知道其比容量比传统的静电电容器大，却对其中的原因不甚了解．有些文献对此作了简单介绍，笔者在此基础上做了更具体的说明以及定量计算[1].

1物理电容器

电容器不仅容纳电荷，同时也储存了电能．研究表明，在工作电压(额定电压)确定情况下，电容量越大，储存的电能越多．

2超级电容器

随着石油、煤以及天然气等不可再生能源的不断消耗，环境污染日趋恶化，人们在尽可能减少碳排放的同时，努力开发可再生能源．新型纯电动汽车既可以实现零排放，又可以利用太阳能充电，可谓一举两得．目前市场上人们普遍看好的纯电动汽车有锂电池和超级电容两种，后者的关键部件是超级电容．

为什么要研发超级电容呢？因为传统的物理电容容量太小，能够容纳的电量(或电能)也就越少．例如，把偌大的地球看成一个电容器，其容量也只有700 μF左右，而目前单体超级电容器最大电容量达6 000 F，比容量可高达760 F/g[2].超级电容最早是由德国的物理学家、生理学家及解剖学家赫姆霍兹(Helmholtz)于1879年发现界面双电层现象，并以平板电容器模型解释时提出的．后来到1957年才由美国人Becker获得了双电层电容器的专利．直到20世纪80～90年代才实现产业化，并以电化学电容器实现了大功率动力启动．

2.1双电层超级电容器

双电层电容是通过电解液正负电荷的分离来储存能量的，即基于碳电极/电解液界面上电荷分离所产生的双电层电容．

如图1(a)，在超级电容器[3]极板上加电压，正极板存储正电荷，负极板存储负电荷，两个极板间有电势差而形成一个电场，在该电场的作用下，电解液与被其充分浸润的电极间的界面上形成了相反的电荷，且间隙极短．由于界面上存在位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，实际上形成两个容性存储层，即双电层．Helmholtz模型[4]认为溶液一侧离子数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反，实际上，双电层的厚度，还与电解质的种类、浓度和离子尺寸有关．它和物理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．

图1　双电层电容器的工作原理

2.2影响超级电容器电容的因素

超级电容器的单元由一对电极、隔膜及电解质组成，如图1(b)所示，两电极中间为阻塞电子、导通离子的隔膜，电极与隔膜均浸在电解液中．这些材料均影响着超级电容器的工作效率，并成为提高超级电容器储能效率的主要研究对象．

(1)分形结构

多孔介质结构复杂，其孔隙、孔通道、孔壁表面等都可视为分形结构．分形是指各个组成部分的形态以某种方式与整体相似的一类形体，如图2所示，在一正方体六个面上，分别去掉边长为原边长三分之一的立方体，再在剩下的立方体中重复同样的操作，一直做下去，就得到门杰(K.Menger)“海绵”，这样，与介质接触的面积就被无限放大．需强调的是，分形结构实际上仍是一种理想模型，它是自然界中很多复杂物体的抽象，而自然界中有很多貌似不规则的物体，不具有对称性，但却有着相似的结构，即随机分形结构．从图3可清楚地看出，在使用电沉积法制备电极时，在枝晶的分枝上又生长出很多小的分枝，具有明显分形生长的形貌．分形维数能准确描述不规则程度、充满空间的程度或整体与局部的相关性，分形维数越高，微孔的不规则程度越大，空间复杂度越高[5]．

图2　门杰“海绵”

图3　石墨基的电沉积产物形貌

一直以来，国内对分形理论的态度是：只能用来测量“分形维数”，无法讨论复杂迁移过程，在这方面一直没有实质性进展．国外很多学者尝试将分形理论应用于多孔介质渗透率的研究，但目前还缺乏系统性的研究工作，还有很多问题有待解决．但目前，已可通过一定的方法，结合计算机，快速有效地表征多孔电极材料的有效表面积、孔径大小的分布状态及表面分形维数，为此类材料的制备及结构优化奠定了基础．多孔介质渗透率的研究及电极材料孔隙度的估计对于提高其电化学性能有着重要意义．

(2)电极材料的微观结构

具有较高比容量的电极材料对超级电容器至关重要．双电层电容器的电极材料主要是具有高比表面积的碳材料，如活性碳、碳纤维等，其表面形貌具有分形特征．

除此之外，电极材料还要有便于电解液浸润及离子快速运动的孔结构．人们把分形理论应用于分析多孔介质内部的孔隙结构，形成了描述流体在无序介质中随机扩散和流动的逾渗模型[6]，电解液在电极中的浸润过程便与之类似．该过程跟孔隙的连通性有关，且受到摩擦阻力、毛细力、吸附特性、死穴等因素的影响，有些孔径太小以致电解质离子无法进入，实验证明，2 nm以下的孔径不易被电解液所浸渍，一般不能形成有效双电层．所以，并不是比表面积越大就越好，还要有合适的孔径分布．

影响电容的因素还有电解液的电导率和分解电压、隔膜性能、电阻等，这里不再详述．

3超级电容器与物理电容器储能的比较

(1)电极材料的有效比表面积S.活性炭多孔电极的比表面积可达1 000～3 000 m2/g[7].

(2)双电荷层距离d.双层电极中电荷之间的距离为电解质溶剂的离子半径，一般约为0.5 nm以下[8].

我们通过比较指甲大小的超级电容与物理电容的大小，来比较他们的储能情况.

若超级电容器电极尺寸为1×1 cm2，厚0.01 mm，根据活性炭的密度(约0.5 g/cm3)，可算出此体积下活性炭的质量，从而求出所对应的表面积约为104cm2，即为物理电容电极面积(1×1 cm2)的104倍；而超级电容的双电荷层距离如上所示，物理电容(云母电容)的这一距离为1 000 nm，前者是后者的104倍．此外，超级电容器包括一对电极，每个电极的面积只有总面积的一半；且在结构上相当于两个电容器串联，即

物理电容器通过增加导体材料的长度增加电容量，超级电容器通过错综复杂的孔隙微观结构增大表面积、紧密的双电层结构减少间距来增加电容量，这正是超级电容器具有如此惊人的大电容的原因所在．

4小结

本文分析了新型储能元件超级电容器的工作原理，从微观结构研究了影响容量参数的因素，探究了超级电容远大于物理电容的原因．超级电容器在储能方面体现出了极大的优势，其工作过程，无任何化学反应，无污染，性能稳定，是一种理想的储能器件，可部分或全部替代电池，提高了风能、太阳能等间歇性能源的利用率，减少了对石油的依赖．其实，超级电容器是一个非常复杂、庞大的家族，找到价格低廉、性能优越、适合于大量生产应用的正负极材料、电解质材料，仍是目前研究的重点和热点，如何大规模地把它应用到实际生产活动中，又是另外一个难题，但笔者相信，超级电容器在储能界的地位，只会越来越重要．

参 考 文 献

1倪江锋.超级电容器中的物理问题.物理教师,2014(11)

2倪晖.论超级电容器的原理及应用.科协论坛(下半月),2013(8)

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

4张娜,张宝宏.电化学超级电容器研究进展.电池,2003(5)

5杨鹏. 锂离子电池多孔电极微观结构的分形特征.科技创新与应用,2013(36):20～21

6张东晖,杨浩,施明恒.多孔介质分形模型的难点与探索.东南大学学报(自然科学版),2002(5)

7王康,余爱梅,郑华均.超级电容器电极材料的研究发展.浙江化工,2010(4)

8汪于迪.碳纳米管超级电容器研究.成都：电子科技大学,2013

收稿日期：(2015-04-21)

作者简介：指导教师：李成金(1960-)，男，教授，主要从事大学物理教学及研究.