简述赝电容器工作原理_主要类型_应用特性

超级电容器是一种特殊类型的能量存储设备，它通过将电容器和电池的特性结合到一个设备中而具有极大的电容。与其它常规类型的电容器相比，这些电容器可以储存更多的能量，并提供比电池更高的输出功率。

超级电容器易于操作且非常安全，根据使用性质的不同，超级电容器可分为三种类型，包括静电双层电容器（EDLC）、赝电容器和混合电容器。本文介绍其中一种类型——赝电容器的工作原理及其应用。

基本概念

赝电容器或法拉第超级电容器，英文Pseudocapacitor，它是不同于EDLC的器件。赝电容器的电极包括氧化还原活性材料，以使用与EDLC不同的机制来存储电能。

事实上，在赝电容器当中，只有一部分电荷是通过EDLC实现的，而大量的能量转移和存储可以通过法拉第机制实现，如氧化还原反应、电吸附和嵌入。

当向赝电容器施加外部电势时，电极上会发生快速且可逆的氧化还原反应，包括电极和电解质之间的电荷通道。该电容器的充电和放电机制与其中一个电池有关。

特性图

赝电容器是介于电池和EDLC（双电层电容器）之间的混合体，该电容器包括两个通过电解质分开的电极。电荷的存储主要通过化学和静电过程发生，其特性图如下所示：

该化学过程主要涉及通过氧化还原或还原氧化反应转移电荷。当电荷转移与电池内的电荷转移相当时，由于电极上的氧化还原材料更薄，因此转移速率更高，否则从电解质扩散到结构中的离子更少。由于执行多个过程以存储电荷，赝电容器中的电容值更高。

工作原理

赝电容器的工作原理是通过称为赝电容的还原-氧化反应、电吸附和嵌入过程在电极和电解质之间转移电子电荷来储存电能。在电化学电容器中，赝电容器是与EDLC一起构成超级电容器的重要组成部分。

赝电容一般由金属硫化物、金属氧化物、金属氢氧化物、金属氮化物和导电聚合物组成。赝电容器材料的例子有金属氧化物，如RuO2、NiO、MnO2、Co3O430，以及导电聚合物，如聚苯胺和聚吡咯。

赝电容器中的能量存储可以在整个法拉第反应中完成。因此，它们以静电方式存储电荷，电荷可以在电极和电解质之间转移。一旦将电压施加到赝电容器上，电极材料就会发生还原和氧化。与EDLC相比，这些电容器中使用的法拉第过程将增强电化学反应，从而提供更大的比电容和能量密度。

赝电容器材料提高了能量密度，以允许其表面的电极材料体积中的能量存储密度。这些电容器材料的主要特性是导电的，否则包括特定电位窗口内的两个氧化条件。由于其特殊的存储电荷原理，赝电容器与其他电容器相比具有最高的电容密度。因此，赝电容中存储的电荷总和与施加的电压成线性比例。

关于法拉第反应

电子转移可能会发生氧化或还原，因为该反应主要受法拉第定律支配，该定律指出通过电流引起的化学反应的总和与通过的电的总和成正比，称为法拉第反应。

关于氧化还原反应

氧化还原反应是一种化学反应，其中电子在参与其中的两种反应物之间移动。这些电子转移可以简单地通过监测反应物种氧化条件内的变化来识别。

连接方式

赝电容器的电路如下所示，其中'Rs' 是串联电阻，'Cᵩ' 主要取决于电势，'R_D ' 是法拉第电阻，“RD”是在整个放电过程中直到离子消失的法拉第电阻，'R _F ' 是电极电解质电阻。所以在特定电势下，赝电容超过双层电容“Cdl”。因此，由于电容的加法定律，电容器的并联组合将大大有助于增加赝电容器的电容。

主要类型

根据用于在赝电容器中存储电荷的电极材料，赝电容器分为两种类型，具体包括：

• 金属氧化物
• 导电聚合物

1、金属氧化物

金属氧化物是一种赝电容材料，在电极材料的外部表现出可逆和快速的氧化还原反应。这种材料表现出低电阻和高比电容，因此构建超级电容器非常容易且具有高功率。

最常用的金属氧化物是MnO2、RuO2、NiO、SnO2、IrO2、Fe3O4、V2O5、Co2O3和MoO作为超级电容器电极。在这些金属氧化物电极材料中，RuO2因其高导电性和比电容而被认为是超级电容器应用中最有能力的电极材料。但实际上，“Ru”在地球上的存在是非常非常稀少的，所以限制了它的应用。因此，通过考虑这一主要问题，有必要探索寻找成本较低的赝电容材料。

金属氧化物在不同的电势下表现出不同的氧化条件，并具有允许最大电导率的晶体排列，使电荷能够在其网络中传播。金属氧化物能够改变它们的氧化条件，质子可以在整个氧化和还原表面反应中添加到氧化物晶格中或从氧化物晶格中移除。

2、导电聚合物

导电聚合物是用于氧化还原赝电容器的材料，因为它们具有快速且可逆的氧化或还原过程、相对较低的成本和良好的导电性。

最常用的导电聚合物是 PPy（聚吡咯）、PANI（聚苯胺）、PTh（聚噻吩）和PPV（对聚对亚苯基亚乙烯基）和PEDOIT（对聚亚乙基二氧噻吩）。这些材料通常是通过单体的电化学氧化或化学反应生产的，并使用共轭键系统和聚合物主链使其具有导电性。

与碳基电极材料相比，导电聚合物材料提供电容、增强的导电性和降低的等效串联电阻。一旦发生氧化和还原，就可以简单地观察到离子或从电解质漂移到导电聚合物并释放到电解质中。

这些聚合物表现出极强的可逆效应，由于没有发生相变，因此具有更好的循环稳定性。它们通过促进增强导电性的氧化还原反应带正电或负电。

赝电容器与超级电容器的区别

赝电容器和超级电容器之间的区别包括以下内容，这里简单来整理下：

优缺点

赝电容器的优点主要包括以下内容：

• 具有更高的功率密度。
• 使用寿命比较长。
• 与锂离子电池相比，它们的充电和放电速度非常快。
• 赝电容器材料将提高能量密度并允许在大量电极材料内及其表面存储能量密度。

赝电容器的缺点主要包括以下内容：

• 能量密度较低，因此不能在储能应用中代替电池使用。
• 不适用于长期储能设备。
• 这些电容器的输出电压与它们的电荷成线性关系。

主要应用

赝电容器的主要应用包括以下几点内容：

• 赝电容器通过法拉第反应储存电能。
• 它是使用双电层电容器形成超级电容器的电化学电容器的一部分。
• 可用于消费电子产品。
• 可应用于穿戴或柔性电子产品中。
• 汽车应用中的再生制动。
• 动能 (KE) 回收系统，如起重机、电梯、风力涡轮机等。

总结

以上就是关于赝电容器的相关基础内容介绍。不难发现，EDLC材料无法充分提高能量密度，但赝电容器材料可提高能量密度并允许在电极材料体积内及其外部存储能量密度，所以其应用也是非常的广泛。

另外，赝电容器的主要优点主要包括经济高效、轻便、环保、舒适、灵活、安全性提高、电化学性能可调等。