超级蓄电容器原理及技术超级蓄电容器定义超级蓄电容器是世界首创，全新结构原理的电能储存装置。其利用活性碳制成表面积极大的三维结构立体电极，
具有高电势能电荷均匀储存在电极材料表面，并呈立体形态分布在电极池内。超级蓄电容器本质是电容器，是目前唯一能从理论和实践上超过化学
燃料能量密度的可重复充放电装置。顾氏超级蓄电容器原理示意图背景技术基础电学理论高斯电学定理法拉第电学原理电荷储存电能的
方式一、电荷数量恒定，通过增大电荷电势能的办法，来携带更多能量。二、电荷电势能（电压）恒定，利用增多电荷数量的办法，来储存能量
。现有主流化学电池原理化学电池是一种电荷数量和电势均恒定的电能储存利用装置。通过化学反应的方式把金属电极中部分电子转移的过程
中，做功利用。金属单位体积内可利用的电子的数量和电势都是天然恒定值，因此化学电池的能量有限。化学电池理论能量密度最大的就是锂空电池
。其它储能方式其它如平板电容，超级电容，飞轮，空气储能等，因其原理限制，能量密度更低。铝空气、镁空气、锂硫电池都有难以克服
的技术障碍。燃料电池使用的液氢，能量密度在30多度电每公斤，原料来源、储存、利用都复杂，目前技术不成熟。原理解析一电荷面密度及
其拥有能量与隔膜厚度关系平板电容器数据理解电容器的电容量公式C=εr×ε0×S/d电容器的蓄能公式J=1/2CU2电荷存
储电能J=QU电容器的电容量公式C=Q／U场强电压关系公式U=Ed电容器体积V=ds（不计极板）利用同一种介质的平板电容推
演C1=εr×ε0×S/dCn=εr×ε0×S/nd利用同一种介质的平板电容推演C1=nCn电场强度E1
=En电荷面密度σ1=σn储存电荷量Q1=Qn储存电能量nJ1=Jn平板电容器单位体积能量密度是恒定值增大隔膜
厚度n倍(或增大极板面积n倍）用直径不同的球面推算两个直径不等的导体球面，击穿电压时，电荷面密度，场强，电压，能量密度（计
算过程略）推演结论1、平板电容结构，同一介质，不论极板面积大小，额定电压高低，电容充满后，电极板上的电荷密度相同。2、电击穿
的本质是电荷密度击穿，场强击穿，平板电容只要极板电荷密度超过其天然恒定值，就会被击穿，与电压无关，电压是计量和观察时的附属现象。电
荷数量恒定条件下，电荷从那里来，回到那里去，在此过程中，电荷在导体里运动做功多少，是电压高低的因素。3、电荷的能量和距离有关，同
等数量的正负电荷，距离越远，电荷拥有的电势能越大，即电压越高。推演结论4、平板电容的两个增加储能的方法，一是增加电荷数量，增加
电容器极板面积S，二是增加介质厚度，增加电荷的电势能（电压）的办法，来增加电容储能总量。电容的体积（质量）V=S×d都会成n倍线
性增加，平板电容能量密度是恒定的，因此无法利用其大密度储能。5、平板电容器电容量字面意思容易让人误解，电容公式求得的电容量是提高
单位电压所需的电荷数量，单位是法拉。电容储存的真实电荷量应该是库伦，即法拉乘电压。原理解析二三维立体电极电荷场强电势分布
一个导体球电荷场强电势分布一个半径为r的导体球，带电量q，浸润在相对介电常数为ε的液体电介质中。静电平衡后，电荷均匀分布在导
体表面；球体内部场强为零，球面处最大，随离球的距离增大，逐渐减小；设无限远处电势为零，电荷电势相等，电荷电势为U；储存电荷面积S
=4πr2n个相同导体球储电量n个半径为r，带电量q的导体球均匀分布在相对介电常数为εr的液体电介质中，电荷分布情况？电
场、电势变动？储存电荷面积S=n4πr2将金属球串联后电荷电压电场变动情况储存电荷面积S=n4πr
2不变电荷电势能相等，电荷不移动添加负极组成电容器后电容量和储能量公式设定隔膜和电介质溶液介电常数、介电强度相同
C=εr×ε0×S/d，S=n4πr2电容器的蓄能公式J=1/2CU2隔膜介电强度小于电
介质溶液情况C=εr×ε0×S/d，S=n4πr2电容器的蓄能公式J=1/2CU2（额定电压
是隔膜击穿电压）隔膜介电强度大于电介质溶液情况C=εr×ε0×S/d，S=n4πr2电容器
的蓄能公式J=1/2CU2（额定电压是电介质溶液厚度为d时的电压）超级蓄电容器电容量公式（将导体球置换为表面积极大的活性炭三维
立体电极）顾氏超级蓄电容器电容量公式超级蓄电容器电容量C=εr×ε0×S/d（法拉）εr-----液体电介质介电常数ε0
-----真空介电常数（8.85×10-12）S-----极板面积=一侧电极池内活性炭质量乘以活性炭比面积（m2）d-
----隔膜厚度（m）超级蓄电容器储电量J=1/2CU2（焦耳）额定电压U（伏特）是电介质溶液厚度为d的击穿电压容易误解一
电荷储存在立体电极极面相对处容易误解二电荷储存在立体电极的六个表面处容易误解三电荷密度由中间隔膜向外发散减小超级蓄
电容器储存电荷量、电压比较表超级蓄电容器增大隔膜厚度能量密度、质量变化情况超级蓄电容器增大隔膜厚度能量密度、质量变化情况
保持正负极、液体电介质不变，将隔膜增大n倍后，蓄电容器储存总电荷量不变，但电荷携带电势能增加n倍。m总﹦m正﹢m负﹢m液介质﹢n
m隔膜（增加部分是（n－1）m隔膜，因此总质量增加很小，能量密度增加很多）超级蓄电容器通过简单增大隔膜厚度增加蓄能总量，体积和总
质量基本不变，因此可以获得很高能量密度。实验验证部分实验验证超级蓄电容器电容量公式：C=εr×ε0×S/dS--极板面积
=一侧电极池内活性炭总面积（m2）d--隔膜厚度（m）超级电容电池与乙腈电池伏安循环曲线图乙腈介质纽扣电池YP50F活性炭
电极，极板面积1.13cm2（直径1.2cm），极板质量5.65mg（5mg／cm2），比面积1600m2／g，极板理论面积
9m2,NKK隔膜厚度30微米，电介质乙腈溶液（εr36）。数值带入公式C=εr×ε0×S/d，S活性炭电极面积，d隔膜
厚度，电容量理论值96微法。实测值（测量电容量时仪器有误差）结论说明：C=εr×ε0×S/d，S一侧电极池内活性炭总表面
积（m2），d为隔膜厚度，公式成立。电荷均匀分布在活性炭表面，并呈立体形态分布在电极池内。且电势能相等。（相反，如果电荷只分布在
隔膜界面或者立体电极表面，S应为1.13cm2（2.26cm2）左右，测得电容值应1.2nf左右）液体电介质筛选公式电容器的蓄
能公式J=1/2CU2电容器的电容量公式C=εr×ε0×S/d电容体积V=S×d电压场强关系公式U=E×d推出：J=1
/2εr×ε0×S×U2/d=1/2εr×ε0×（S×d）×Eb2=1/2εr×ε0×V×Eb2介质储电能体积
密度公式J÷V=1/2εr×ε0×Eb2（Eb为电介质介电强度）εr为线性增长，Eb为几何增长结论介电常数的大小在电介质储存
电能时，起的作用小，介电强度大小反而是决定储存电能多少的重要因素。陶瓷、绝缘塑料、绝缘油等绝缘材料储存电能能力更强。目前，绝缘油
是最适合做超级蓄电容器的液体材绝缘料。绝缘油有天然矿物油、植物油和合成绝缘油，合成绝缘油有芳烃合成油，硅油，酯类油，醚类和砜类合成
油，聚丁烯等。综合实验条件，分子量，分子直径，运动粘度等因素，选用磷酸三乙酯（TEP）和二芳基乙烷（PXE）作为液体介质材料。
（参考文献---陈湘明教授电介质迷思15高密度储能）（参考文献---电容器绝缘油之最近动向）超级电容电池、乙腈与磷酸三乙酯
电池对比蓄电容器做法及技术指标电极材料---活性炭；液体电介质材料---磷酸三乙酯、二芳基乙烷；隔膜材料---杜邦绝缘纸、
NKK隔膜；辅助材料---导电剂，粘结剂，铝箔。电学实验仪器电极材料---活性炭活性炭。活性炭，是黑色粉末状或块状、颗粒
状、蜂窝状的无定形碳，也有排列规整的晶体碳。活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的材料。活性炭表面积可达500---3000
平方米／克。液体电介质材料---磷酸三乙酯无色透明液体，分子式: C6H15O4P，分子量：182.15，CAS号:
78-40-0，熔点-56.5℃沸点215-216℃，闪点115.5℃，相对密度1.0695(20℃)。全溶于水，易溶于乙醇、乙
醚苯等有机溶剂。液体电介质材料---二芳基乙烷二芳基乙烷是一种精细化工产品，即1-苯基-1-二甲苯基乙烷(1-phenyl-1
-xylylethane)，简称PXE。产品分子式：C18H18。因其具有沸点高、粘度小、高溶解、凝点低、显色能力强以及电热性能稳
定、耐高电压等优点，目前被广泛用于无碳复写纸压敏染料的溶剂及电气绝缘油等。隔膜材料---绝缘纸6640FNMN0.35mm美国
杜邦绝缘纸额定击穿电压20kv重量400±50克／平方米30微米厚NKK隔膜具体做法将活性炭粉末、导电剂石墨和粘结剂聚
四氟乙烯乳液按照8∶1∶1的比例混合均匀，搅拌，将该浆液涂于铝箔上，压片，在真空干燥箱中烘干（电极做法工艺与超级电容电池相同）。
将制好的电极片在电介质磷酸三乙酯和二芳基乙烷中浸泡24小时。将电极片紧密贴合在绝缘纸和NKK隔膜上，接好导线测试。超级蓄电容器样
品电极规格直径1.2cm，厚100μm，5mg／cm2，磷酸三乙酯介电常数6，理论电容值，隔膜厚度30μm（NKK隔
膜）。实测值：10微法超级蓄电容器样品电极规格直径1.2cm，厚100μm，5mg／cm2，二芳基乙烷介电常数2.45-2
.60，理论电容值，隔膜厚度0.35mm（6640FNMN美国杜邦绝缘纸）。实测值（普通电容测量仪器无法测出）：超级蓄
电容器样品现有材料和技术能做到能量密度使用比面积为103m2／克，2kg活性炭（正负极各1kg），磷酸三乙酯1.5kg（介电
常数6，介电强度60kv／2.5mm），绝缘隔膜厚5厘米，额定电压为1200kv。J=1/2ε×ε0×S×U2/d，带入数据后
，理论可以得到40度电左右／kg的能量密度（不计包装材料），实际可以充到更高电压，大家想一下，为什么？通过改进材料、工艺和结构，
可以达到更高的能量密度。超级蓄电容器超级蓄电容器巧妙的电极与电介质分布结构，使其在极板面积和充电电压大幅增加的同时，质量增加很
小，因此获得很高的能量密度。和传统平板电容不同，超级蓄电容器的多孔电极极化的不是隔膜，而是电极池中与活性炭接触的液体电介质，电荷
储存在三维立体电极表面。超级电容电池因为离子要穿透隔膜运动，隔膜是通透；超级蓄电容器相反，没有任何电荷穿过隔膜，隔膜只起隔绝正负
极，建立电势差的作用。超级蓄电容器优点1、只要简单通过增加隔膜厚度的办法，即可大幅增加能量密度。因此其能量密度大，最高可以达
数百度电每公斤。2、功率密度大。3、可循环型好，可循环几百万次或更多。4、充电快，几秒或几分钟。5、充电转换效率高，放热少
。只有介电损耗和电流在活性炭电极中电阻损耗以及充电器电压转换损耗三种。6、没有任何记忆效应。7、使用范围广，零下几十度到零上五
十多度性能基本无差别。电子在导体中只有运动损耗，不受温度影响，因此其充放电性能在高温低温变化不大。超级蓄电容器优点8、环保性
能好。原材料不含贵金属和有毒物质，活性碳和绝缘油都可回收降解。9、安全性好（略）10、生产工艺简单，原材料来源广，廉价。11
、利用市面现有材料和工艺条件即可组织生产，不存在技术障碍。同理举例同理举例木板上的小球数量相当于超级蓄电容器电荷量，小球密
度相当于电荷密度，木板承受的最大压强相当于介质的极化强度，小球被提升高度相当于电压，同等数量的小球提升高度越高，所携带的能量越大。
木板承载小球密度只与自身承受的最大压强有关，与提升的高度无关。同理，超级蓄电容器电极池内部，电荷密度与介质材料介电强度和介电常数有
关，电荷总量只与电极池内电极材料比面积和总质量有关，与正负电极池电势差即电压无关。超级蓄电容器最大场强在隔膜两侧，击穿只能发生在
隔膜处。超级蓄电容器增大隔膜厚度，充电所需电压提高，只是相当于把同原来同等量的电荷提高到更高电势。同理举例2树相当于表面积极大
的活性炭，是一个密闭曲面（环面）充电时，电子被直流高压充电器从一端转移到另一端，并分布在环面表面。在转移的过程中，做工储
能；使用时，通过变压器、负载，将储存的电能释放利用。注意事项超级蓄电容器，关键原理一：电荷在立体三维电极表面均匀分布。顾
氏超级蓄电容器，关键原理公式二：电介质选定后，电荷数量不变，携带电势能随隔膜增加呈线性增加。顾氏超级蓄电容器，电子是通过外部导线
流入到负极池，并分布负极材料表面的。隔膜无任何电荷转移行为。超级蓄电容器研发思路首先利用只添加乙腈作为电介质的纽扣电池验证公式
。证明电荷分布在三维立体活性炭表面。其次用储存电能更多的高介电强度绝缘油替换乙腈。超级蓄电容器研发思路再次增大隔膜厚度，电荷
拥有更多电势能（充电时要耗更多电能）。增大极板，储存更多电荷。得到存储电荷多，电荷携带电势能大，能量密度高的超级蓄电容器。谢谢
大家备注电容值随电介质层厚度变化而改变电容值随电介质层厚度变化而改变介质层为电容值不变0.02焦耳0.02库伦0.0
2F／克1224焦耳2.04库伦0.0034F／克600v／25微米60kv／2.5mm6磷酸三乙酯J=qu
q=cuC=ε×ε0×S/d312.5焦耳储存电能量125库伦1v／25微米36乙腈50F／克2.5v超级电容电池（EmimBF4）储存电荷量电容值额定电压介电强度介电常数比对项目分别以25微米厚乙腈和磷酸三乙酯为电介质，立体活性炭极片1克（1600m2／克），与超级电容电池进行储存电荷、电能能力对比。本实验采用可乐丽活性炭。活性炭YP50F细孔容积0.70ml／g，比面积1600m2／g。E1EnV=dsV=nds顾氏超级蓄电容器示意图超级蓄电容器是一种储存少量携带高电势能电荷的电容器，是一种储存高密度电能的电容器（类似于高压输电输送的是能，而不是大量电荷）。可以做到巨量微量物理方式储存电能平板电容固定值、电势能小大量化学反应储存电能化学电池可以做到巨量少量物理方式储存电能超级蓄电容器电荷携带能量存储电荷量性质 |
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