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超級電容器儲能方式對性能的影響
深入理解電荷存儲機制對進一步提升超級電容器的性能至關重要.電荷儲能方式到底如何影響超級電容器的性能呢?
首先充電機制對功率密度有影響,調控儲能機制無疑可以改善器件的功率性能.理論模擬研究表明, 疏水的空孔道比親水的充滿離子的孔道有更快的充電速率.由于離子擴散遷移能快速遷移到碳納米孔道中,異號離子吸附機制有利于快速充電,與此相反,離子交換機制則需要離子在相反的方向上遷移, 不利于提高器件的功率密度.同時不同的機制導致孔道中離子數量的變化.
例如,異號離子吸附機制能增加碳孔道中的離子濃度,而離子在孔道中堆積越密集, 則擴散的速率越慢.除了堆積效應以外,不同離子和電極表面之間的相互作用也影響離子在孔內的傳輸過程.由此可見,不同的離子吸附、離子交換和離子脫附機制導致不同的器件功率性能,應該篩選出來適合快速充電的儲能機制.
原則上,儲能機制直接影響了比電容, 因此影響了超級電容器的能量密度. 在熱力學條件下, 充電過程將遵循最小自由能增加原則, 即降低單位存儲電荷的電壓增加量(相當于增加比電容). Kondrat和Kornyshev指出, 異號離子吸附在能量上是不利的. 因為離子進入孔道中將使體系熵減小. 當相同電荷的離子在碳孔道中堆積, 從焓變上也是不利的. 在離子交換機制占主導的儲能過程中, 孔道中的總離子濃度保持不變,減少了因離子密集堆積造成的焓變, 同時減少了熵變,在能量上處于有利位置. 這也許就是原位實驗技術闡明的離子交換機制普遍存在的熱力學原因.
由于電荷之間的相互作用, 同號離子脫附機制減少了焓變, 同時增加了熵變, 因此增加了電容. 但是現實中還沒有觀察到同離子脫附機制, 說明還有其他的重要因素在起作用. 很明顯, 必須深入理解超級電容器充電機制和電容之間的關系, 在動力學條件, 充電機制取決于陰陽離子在孔道中的相對移動速率. 對這些機制的實驗和理論研究將進一步促進對不同孔道離子擴散速率的有效控制, 從而控制儲能的動力學機制, 提高超級電容器器件的能量密度. 離子吸附機制的認識對科學技術的發(fā)展大有裨益, 不僅在能量存儲領域, 多孔碳的吸附過程在液流電池、生物燃料電池、生物傳感器、氣敏材料和電容去離子化脫鹽等領域都是其中的關鍵科學問題.
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