超级电容器是使用碳和石墨烯纳米技术制造的，据称其存储和释放电能的速度比锂离子电池快得多。作为一种新型储能元器件，以其能量密度高、充放电速度快、循环寿命长等优异性能而越来越受到人们的广泛关注。下面贤集网小编整理了超级电容器的工作原理、优缺点、生产组装工艺一系列知识，供大家学习。

超级电容器概述：

超级电容，又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容器之所以称之为“超级”的原因：

1、超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

2、传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。

3、超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离(<10Å)和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。

4、超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。

5、庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。

超级电容器的工作原理

超级电容器的电化学原理

一个电极和其电解液界面的电行为类似于一个电容器。发生在电极电解液界面的静电作用力导致产生了人们常说的双电层电容。有别于一个真正的电容器，这个电容是依赖于通过它的电压。基于双电层电容的电容器有非常长的充放电循环寿命，因为当充放电时只有静电荷储存和转移发生，并没有不可逆的反应或化学相变发生。这也是为什么双电层超级电容器的循环充放电寿命大大地优于一般可充电池。

基于能带理论，当具有大的原子间距，电子能态作为绝缘分子和绝缘体存在时，填充和空穴态的能级是单一的。一些化学修饰电极就是这种情况，在电极上电子转移过程发生在非常好的分离的氧化还原活性部位，他们之间没有交互。换句话说，这些氧化还原活性是局部的，在能态上相等或十分接近，所以在这些电位下可接受或捐赠的电子是非常接近彼此的，在电流电位图中就展示出一个明显地氧化还原峰。相反地，对于赝电容材料，在电极表面层，这些氧化还原活性部位位置接近且有交互，表现出一个很宽的能态形式。这种情况也就是包括大多数过渡金属氧化物和具有共轭化学键导电聚合物的半导体材料在氧化还原时的能态情况。因此赝电容材料在工作电位范围的电位电流图应该是长方形的，并非在很多文献中描述得有明显氧化还原峰的波段式图形。

超级电容器在使用过程中并非每一个方面都是优越的，这就要求在运用超级电容器时能熟练掌握该装置的优缺点。受到制造技术的限制，我国在使用超级电容器时还存在安装、调试等方面的不足。不少设备因盲目使用超级电容器造成电路故障，影响了整个设备性能的发挥。作为电容器的新产品，超级电容器呈现出来的优点要显着大于缺点。

优点：

超级电容器是普通电容装置的升级，在对早期的电容器实施了多个方面的改良。主要优点在：①电容量。早期使用的常规电容器，电容存储量较小，仅能满足小负荷的电路需求;而超级电容器的电容量级别可达到法拉级，能适合更复杂的电路运行需要。②电路。超级电容器对电路结构的要求较低，不需要设置特殊的充电电路、控制放电电路，且电容器的使用时间不会受到过充、过放的影响。③焊接。普通电容器无法进行焊接，在安装超级电容器时可根据需要进行焊接处理，防止了电池接触不良等现象的发生，提高了电容器元件的使用性能。

缺点：

通过对超级电容器的性能测试，笔者发现这种新型电容器也存在缺点。如：①泄漏。超级电容器安装位置不合理，容易引起电解质泄漏等问题，破坏了电容器的结构性能。②电路。超级电容器仅限于直流电路的使用，这是由于与铝电解电容器相比，超级电容器的内阻更大，不适合交流电路的运行要求。③价格。由于超级电容器是新一代高科技产品，其刚刚推向市场时价格相对较高，增加了设备运行的成本投入。

与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器的特点主要体现在：

(1)功率密度高。可达102～104 W/kg，远高于蓄电池的功率密度水平。

(2)循环寿命长。在几秒钟的高速深度充放电循环50万次至100万次后，超级电容器的特性变化很小，容量和内阻仅降低10%～20%。

(3)工作温限宽。由于在低温状态下超级电容器中离子的吸附和脱附速度变化不大，因此其容量变化远小于蓄电池。商业化超级电容器的工作温度范围可达-40℃～+80℃。

(4)免维护。超级电容器充放电效率高，对过充电和过放电有一定的承受能力，可稳定地反复充放电，在理论上是不需要进行维护的。

(5)绿色环保。超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害的化学物质，且自身寿命较长，因而是一种新型的绿色环保电源。

超级电容器生产组装工艺

步骤（1），氮掺杂碳电极材料的制备，将0.5-1mL苯胺单体和0.3-0.6g过二硫酸铵分别溶解在于0℃预冷过的摩尔浓度为1mol/L的酸溶液中，搅拌至完全溶解后将两种溶液充分混合形成混合溶液，将商业三聚氰胺海绵浸泡于上述混合溶液中，然后置于冰箱中冷藏保存，经过24h氧化聚合在三聚氰胺海绵表面覆盖了深绿色的聚苯胺，将聚合反应后的三聚氰胺海绵用去离子水洗涤至中性，于60℃干燥，然后转移至管式炉中在氮气气氛下于600-900℃煅烧1-6h，自然冷却至室温后依次用去离子水和乙醇洗涤并干燥得到氮掺杂碳材料；

步骤（2），氧化还原活性电解液的配制，将碘化钾固体溶于50mL摩尔浓度为1mol/L的酸性溶液中形成氧化还原活性电解液，其中碘化钾的摩尔浓度为0.01-0.1mol/L；、

步骤（3），超级电容器的制作，将步骤（1）制得的氮掺杂碳材料与导电剂和粘结剂按85:10:5的质量比制成浆料，将浆料均匀刮涂在不锈钢集流体表面，控制其活性面积为1cm2，将两个质量及活性面积均相等的电极用亲水性玻璃纤维隔膜隔开组装成对称电极，浸泡于步骤（2）配制的氧化还原活性电解液中制成基于催化活性氮掺杂碳电极和氧化还原活性电解质的超级电容器。

步骤（1）中所述的酸溶液为硫酸溶液或盐酸溶液。

步骤（2）中所述的酸性溶液为硫酸溶液或磷酸溶液。

步骤（3）中所述的导电剂为乙炔黑，所述的粘结剂为聚四氟乙烯。

制备的氮掺杂碳电极材料选用商业三聚氰胺海绵与苯胺作为反应原料，目的在于利用前者三维网状交联结构以及强大的吸附能力，在其多孔网络骨架表面均匀沉积聚苯胺，两者均有较高氮含量，煅烧处理可以获得氮含量高达11%的氮掺杂碳材料，而且这类碳材料未经任何活化处理就具有较大的比表面积以及良好的表面亲水性，能提供较高电极比容；同时在酸性电解质中添加氧化还原活性成分KI，在充放电过程中受电极催化，形成I3-/I-，I2/I-氧化还原电对，不同价态碘之间能发生可逆氧化还原反应，因而能够提供额外的赝电容，与单纯的酸性电解质相比，超级电容器电极比容能提高3倍以上。

以上就是关于超级电容器的工作原理、优缺点、生产组装工艺的知识介绍，超级电容器可以集成到锂离子电池中，以提供即时电力以提高性能，同时减少主电池执行的充电和放电循环次数，从而延长其使用寿命。