超級電容器主要性能指標(biāo)包括比電容、能量密度與功率密度、內(nèi)阻和循環(huán)穩(wěn)定性。

1.比電容

在超級電容器中,每一個電極都是一個電容。所以,對于超級電容器來說,總電容由正負(fù)極兩個電容器串聯(lián)而得。如果將正極電容用Cp來表示,負(fù)極電容用Cn來表示,則總電容為 :

在測試中研究人員更關(guān)心的是超級電容器的比電容,它分為兩種,一種為質(zhì)量比電容,即單位質(zhì)量的電容值;另一種為體積比電容,即單位體積的電容值。

2.能量密度與功率密度

能量密度與功率密度是表征超級電容器性能的主要指標(biāo), 能量密度越大, 表示超級電容器能夠儲存的電能越多;功率密度越大,表示超級電容器在單位時間能夠放出的能量越多，一般來講,理想的超級電容器理論上的能量密度 E與功率密度 P可由如下兩個公式計算:

公式中: C 為比電容; V 為電勢窗口, 即電解液正極析氧電位與負(fù)極析氫電位的差; R s 為電容器等效串聯(lián)電阻; Q 為電容器存儲的總電荷。從式(3)可以看出, 超級電容器的能量密度與比電容和電勢窗口的平方成正比, 比電容的大小與電極材料有關(guān), 電勢窗口則與電解液有關(guān)。超級電容器的能量密度與功率密度都與電勢窗口的平方成正比, 所以說, 擴(kuò)大電勢窗口來提升超級電容器性能相比于提高比電容值來說更有效。

3.內(nèi)阻

超級電容器的內(nèi)阻指的是正極電容與負(fù)極電容間的串聯(lián)電阻,它與電極材料、 電解液、隔膜和組裝方式等都有很大關(guān)系。一般來說, 較小的內(nèi)阻對于超級電容器性能的提升是有利的。電極厚度越大,內(nèi)阻越高,一般電極厚度小于150μm。而且材料的孔徑不應(yīng)過小,一般在 1.5nm以上,以方便電解液中的離子進(jìn)入并充分浸潤, 形成雙電層, 避免內(nèi)阻變大。

電解液的電阻也是影響超級電容器內(nèi)阻的主要因素,對于水系電解液來說,離子的直徑很小,遷移率高,而且能夠輕易通過隔膜,也能輕易進(jìn)入電極的孔隙內(nèi),所以內(nèi)阻很小;而對于有機(jī)系電解液來說,溶質(zhì)一般為有機(jī)高分子,直徑都很大,遷移過程中被阻礙的幾率就大得多,而且難以進(jìn)入電極的孔隙中,內(nèi)阻相對較大。

4.循環(huán)穩(wěn)定性

循環(huán)穩(wěn)定性是指超級電容器在多次充放電后保持電學(xué)性能的程度的能力,主要表現(xiàn)在多次充放電后電容值的衰減程度是否過大。循環(huán)穩(wěn)定性以超級電容器循環(huán)充放電數(shù)千次后電容值衰減程度標(biāo)定,一次循環(huán)所測電容值為初始值,數(shù)千次充放電循環(huán)后器件的電容值為最終值,初始值與最終值之間每隔數(shù)百次記錄一次電容值即可繪制超級電容器電容量隨充放電次數(shù)變化曲線。將初始值與最終值進(jìn)行比較即可得到超級電容器的電容保持率。由于電解液對電極材料有一定的侵蝕, 尤其是法拉第贗電容器, 因此超級電容器的電容值存在一定的衰減。盡管如此, 超級電容器的循環(huán)壽命仍然遙遙領(lǐng)先于蓄電池, 這也是超級電容器的一大優(yōu)勢。