電解電容的原理搞清楚,石墨烯做超級電容的價值也就清楚了

2021-01-20 硬體十萬個為什麼

1,電解電容器的構造


材料

材質（成分）

比例

1.

膠管（套管）

Sleeve

聚氯乙稀（PVC）

聚乙烯（PET）

<3%

2.

鋁殼 Aluminum Case

鋁（Aluminum）

10-20%

3.

素子膠帶 Tape

PE、PP

<2%

4.

電解紙

Electrolytic Paper

牛皮紙 馬尼拉麻

<5%

5.

負鋁箔 Cathode Foil

鋁（Aluminum）


>40%

6.

正鋁箔 Anode Foil

7.

電解液

Electrolyte

乙二醇（Ethylen Glycol）己二酸銨

添加濟（Additive）

>28%

8.

橡膠密封件 Sealing Rubber

橡膠（Rubber）

<10%

9.

導線 Lead

鋁（Aluminum）

CP線

2-3%

(1)腐蝕 Etching

陽極和陰極金屬箔是由高純度的,很薄的只有0.02—0.1mm鋁箔做成的,為了增加盤面積和電容量,與電解液接觸的表面積的增加是通過蝕刻金屬箔去溶解鋁,使整個鋁箔的表面形成一個高密度的網狀的有幾十億個精細微管道的結構.

(2)化成 Forming

陽極箔上有電容器的電介質.電介質是一層很薄的鋁氧化物,AL2O3,那是一個在陽極箔上的化學生長過程,這個過程叫「化成」。這個電壓是最後電容器額定電壓的135%-200%。 陰極箔不用化成,它保持著很高的表面積和高密度的蝕刻模式。 氧化膜的耐電壓不足和電解液自身的閃火放電都會造成短路。

(3)卷繞 Winding

電容元件的卷繞是一層隔離紙,一層陽極箔,另一層隔離紙和陰極箔.這些隔離紙防止箔之間接觸形成短路,這些隔離物後來保留住電液。 在卷繞鋁箔芯子或卷繞過程中為後來連接電容器端子附上箔.最好的方法是通過冷焊,把箔焊上帶子,冷焊可以減少短路失效,有更好的高紋波電流性能和放電性能。 內引出端面切口、與引出端鉚接的箔條和電極箔剖面的切口都會有毛刺,從而造成相對電極間短路. 電容器發熱芯包膨脹和安全閥打開時的壓力衝擊,芯包發生變形,導致電極間短路.


（4）含浸/電解液

真空、高壓條件下，使電解液充分滲透到素子中。


(5)封口 Sealing

電容元件被密封在一個罐子裡. 為了釋放氫,密封圈不是密閉的,它經常是壓力封閉的即將罐子的邊沿滾進一個橡膠墊圈,一個橡膠末端插銷或滾進壓成石碳酸薄板的橡膠. 太則緊密封會導致壓力增加,太松則密封會因為電解液的可允許的流失而導致縮短壽命.


（6）清洗


（7）套膠



看完電容，我們來看石墨烯：


眾所周知，電極材料是超級電容器的關鍵所在，它決定著電容器的主要性能指標，如能量密度、功率密度和循環穩定性等。截至目前，納米結構的活性炭、碳化物轉化炭、碳納米管、炭洋蔥、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等已經被用於微型超級電容器的電極材料，然而，它們的性能指標很難滿足不斷發展的微型能源系統的實際使用要求。而且，製造微型超級電容器電極需要複雜的光刻工藝，條件苛刻、周期長，因此很難降低產品的成本及價格，從而阻礙了其商業化前景。

由一層碳原子呈蜂窩狀有序排列而構成的石墨烯已經被證明是一種新型且高效的超級電容器電極材料。近日，美國加州大學洛杉磯分校工程及應用科學學院理察·卡奈爾教授研究團隊發展了以石墨烯為基礎的新型微型超級電容器。


現代人類對於物質結構已經有了一個相對明確的認知。如果從原子尺度觀察物質結構，原子們就是像搭樂高積木一樣構建出我們這個千變成化的物質世界。



而在人們所認知的結構中，石墨絕對是一個另類。

石墨的晶體結構是層狀的，靠微弱的範德華力把相鄰的兩層貼合在一起。層與層之間充斥著大量的電子，因此，石墨是良好的導電體。



而單個石墨層，則是碳原子與碳原子相互連結形成正六邊形，並延伸成一張無限大的原子網。這張網上的原子連結的是如此結實，以致於這張網比鑽石還硬。




有過削鉛筆經驗的小夥伴們都很清楚，鉛筆中的石墨芯是很軟的，而且很容易就掰斷了。用鉛筆書寫，其實就是一個將芯上脫落的石墨顆粒留在紙面上過程。

這是因為石墨相鄰分子層粘合的力很弱。石墨層很容易發生相互移動或剝離。就像下面這幅圖示意的一樣。



隨著現代化科學儀器的不斷進步，人類研究的尺度也越來越小。已經進入到納米、甚至更小的原子級別。然而，儘管人們對石墨的結構已有了完全的認識，甚至預言了單層的石墨可能會具有非常好的物理性質。但如何把石墨不斷地磨薄，薄到只有一個原子的厚度，這個世界難題還是讓所有的科學家們望而卻步了。


一種能量密度為60小時瓦/升的新型超級電容，其能量密度可為目前的超級電容的12倍左右，而其中所使用的的正是石墨烯。因為石墨烯的化學性能非常穩定，而且導電性能卓越。


利用一種適應性石墨烯凝膠薄膜來製造新型超級電容中的緻密電極。另外使用傳統超級電容內的導體——液體電解質來控制亞納米尺度的石墨烯薄片之間的間隔。這種液體電解質有兩個作用：保持石墨烯薄片之間的微小間距以及導電。


通過電解電容的拆解，我們知道：雙電層電容器裝置的電容積聚的電荷被存儲在這作為在高表面積的電極和電解質之間的界面形成的雙電層中。雙電層電容器材料的幾個至關重要的因素是：比表面積（SSA），導電性，和孔徑大小及分布。石墨烯對比過去的雙電層電容器的電極材料提供了一個很好的替代。與傳統的多孔碳材料相比，石墨烯具有非常高的導電性，大的表面積及大量的層間構造。因此，基於石墨烯的材料非常有利於它們在雙電層電容器中的應用。

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