双层电容器的工作原理及结构
双层电容器的工作原理及结构
双电层电容器，一种独特的物理储能设备，其独特的构造和工作原理与锂离子电池有着显著差异。它巧妙地利用了电导体与电解液之间的交互，形成一个天然的双电层，赋予了它独特的性能。
双电层的诞生
当电导体浸入电解液，两者之间自然形成一层绝缘层。当电压施加，正负电荷在绝缘层两侧有序分布，如同一个双层面的电容器。这个现象不仅发生在正极，也在负极同时存在，因此得名双电层电容器，如图1所示。
串联结构中的电极世界
双电层电容器的正负极虽各自独立，但电路中它们是串联的。这是因为电极不能直接从电解液获取电荷。电容量遵循平行板电容器的原理，即电容量与极板面积成正比，与绝缘层厚度成反比，公式为 C = εS/d。其中，ε是介电常数，d是绝缘层厚度，S是极板面积。
增大容量的巧妙设计
由于双电层的天然限制，无法人为减小绝缘层厚度。为了提升电容，工程师们巧妙地利用活性炭，其极高的比表面积（如椰子壳焚烧后得到的活性炭，每克可达2000m²）作为电极材料。同时，有机溶液如PC和ACN，因其高耐压特性，成为电解液首选。为了防止短路，电容器还配备了专门的隔膜材料，如纤维素和无纺布。
两种结构的呈现
双电层电容器在外形上分为叠层型和圆筒型。叠层型通过多层叠加电极和隔膜，形成扁平结构，而圆筒型则通过卷制铝箔与活性炭，装入圆柱壳中。两者虽结构不同，但正负极均为相同设计，为应用提供了灵活性。
内部高压管理
双电层电容器虽无化学反应，但高温高压下可能出现气体生成。圆筒型电容器能承受高至10个大气压，而叠层型则限制在2-3个大气压。因此，叠层型通常配备排气阀，以维持内部压力平衡，确保安全运行。
模块化的便利
为便于制造和使用，双电容器常常模块化设计。叠层型因其长方体形状，适合紧凑布局，但需要额外施加压力以提高接触密度。相比之下，圆筒型在单体制造时已内置压力，组装模块更为方便。
在实际应用中，汽车多选择抗震性能优良的圆筒型，工业机械则倾向于叠层型，依据安装条件和性能需求进行选择。