超級電容器主要性能指標

超級電容器主要性能指標包括比電容、能量密度與功率密度、內阻和循環穩定性。

1.比電容

在超級電容器中,每一個電極都是一個電容。所以,對于超級電容器來說,總電容由正負極兩個電容器串聯而得。如果將正極電容用Cp來表示,負極電容用Cn來表示,則總電容為 :

在測試中研究人員更關心的是超級電容器的比電容,它分為兩種,一種為質量比電容,即單位質量的電容值;另一種為體積比電容,即單位體積的電容值。

2.能量密度與功率密度

能量密度與功率密度是表征超級電容器性能的主要指標, 能量密度越大, 表示超級電容器能夠儲存的電能越多;功率密度越大,表示超級電容器在單位時間能夠放出的能量越多，一般來講,理想的超級電容器理論上的能量密度 E與功率密度 P可由如下兩個公式計算:

公式中: C 為比電容; V 為電勢窗口, 即電解液正極析氧電位與負極析氫電位的差; R s 為電容器等效串聯電阻; Q 為電容器存儲的總電荷。從式(3)可以看出, 超級電容器的能量密度與比電容和電勢窗口的平方成正比, 比電容的大小與電極材料有關, 電勢窗口則與電解液有關。超級電容器的能量密度與功率密度都與電勢窗口的平方成正比, 所以說, 擴大電勢窗口來提升超級電容器性能相比于提高比電容值來說更有效。

3.內阻

超級電容器的內阻指的是正極電容與負極電容間的串聯電阻,它與電極材料、 電解液、隔膜和組裝方式等都有很大關系。一般來說, 較小的內阻對于超級電容器性能的提升是有利的。電極厚度越大,內阻越高,一般電極厚度小于150μm。而且材料的孔徑不應過小,一般在 1.5nm以上,以方便電解液中的離子進入并充分浸潤, 形成雙電層, 避免內阻變大。

電解液的電阻也是影響超級電容器內阻的主要因素,對于水系電解液來說,離子的直徑很小,遷移率高,而且能夠輕易通過隔膜,也能輕易進入電極的孔隙內,所以內阻很小;而對于有機系電解液來說,溶質一般為有機高分子,直徑都很大,遷移過程中被阻礙的幾率就大得多,而且難以進入電極的孔隙中,內阻相對較大。

4.循環穩定性

循環穩定性是指超級電容器在多次充放電后保持電學性能的程度的能力,主要表現在多次充放電后電容值的衰減程度是否過大。循環穩定性以超級電容器循環充放電數千次后電容值衰減程度標定,一次循環所測電容值為初始值,數千次充放電循環后器件的電容值為最終值,初始值與最終值之間每隔數百次記錄一次電容值即可繪制超級電容器電容量隨充放電次數變化曲線。將初始值與最終值進行比較即可得到超級電容器的電容保持率。由于電解液對電極材料有一定的侵蝕, 尤其是法拉第贗電容器, 因此超級電容器的電容值存在一定的衰減。盡管如此, 超級電容器的循環壽命仍然遙遙領先于蓄電池, 這也是超級電容器的一大優勢。