吳彩燕　李成金　趙承良

(蘇州大學(xué)物理與光電·能源學(xué)部　江蘇 蘇州　215006)

*蘇州大學(xué)教改項目“基礎(chǔ)物理‘大班授課、小班研討’新型教學(xué)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(xué)物理與光電·能源學(xué)部江蘇 蘇州215006)

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

摘 要：電容是物理學(xué)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(jī)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(yuǎn)大于物理電容的原因．

關(guān)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(yīng)用等方面的研究，技術(shù)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(xiàn)對此作了簡單介紹，筆者在此基礎(chǔ)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(guān)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(dá)6 000 F，比容量可高達(dá)760 F/g[2].超級電容最早是由德國的物理學(xué)家、生理學(xué)家及解剖學(xué)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(jì)80～90年代才實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并以電化學(xué)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(fù)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(fù)極板存儲負(fù)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(rèn)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(guān)．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(yīng)，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(dǎo)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(fù)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(fù)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(qiáng)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(fù)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(jī)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(zhǔn)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(guān)性，分形維數(shù)越高，微孔的不規(guī)則程度越大，空間復(fù)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(fù)雜遷移過程，在這方面一直沒有實質(zhì)性進(jìn)展．國外很多學(xué)者嘗試將分形理論應(yīng)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(jī)，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(chǔ)．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(xué)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(guān)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(yùn)動的孔結(jié)構(gòu)．人們把分形理論應(yīng)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(jī)擴(kuò)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(guān)，且受到摩擦阻力、毛細(xì)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(jìn)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(dǎo)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(dá)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(yīng)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(dāng)于兩個電容器串聯(lián)，即

物理電容器通過增加導(dǎo)體材料的長度增加電容量，超級電容器通過錯綜復(fù)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(yuǎn)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(xué)反應(yīng)，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(fēng)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(fù)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(yīng)用的正負(fù)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(yīng)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(xiàn)

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(yīng)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(xué)超級電容器研究進(jìn)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(yīng)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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(xué),2013

收稿日期：(2015-04-21)

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