超級電容作為輔助蓄能器的特性

1、超級電容超級電容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名電化學(xué)電容器(Electrochemical Capacitors)，雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因?yàn)榇顺夒娙萜骺梢苑磸?fù)充放電數(shù)十萬次。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用

2、活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。根據(jù)儲能機(jī)理的不同可以分為以下兩類：雙電層電容：是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產(chǎn)生的。對一個電極/溶液體系，會在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。當(dāng)在兩個電極上施加電場后，溶液中的陰、陽離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。這時對某一電極而言，會在一定距離內(nèi)(分散層)產(chǎn)

3、生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當(dāng)將兩極與外電路連通時，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。法拉第準(zhǔn)電容：其理論模型是由Conway首先提出，是在電極表面和近表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對于法拉第準(zhǔn)電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時，會通過界面上的氧化

4、還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲在電極中。放電時，這些進(jìn)入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。突出特點(diǎn)（1）充電速度快，充電10秒10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上；（2）循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)150萬次，沒有“記憶效應(yīng)”；（3）大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率90%；（4）功率密度高，可達(dá)300W/KG5000W/KG，相當(dāng)于電池的510倍；（5）產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，

5、是理想的綠色環(huán)保電源；（6）充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù)；（7）超低溫特性好，溫度范圍寬-40+70；（8）檢測方便，剩余電量可直接讀出；（9）容量范圍通常0.1F-1000F 。單位介紹法拉（farad），簡稱“法”，符號是F1法拉是電容存儲1庫侖電量時，兩極板間電勢差是1伏特1F=1C/1V1庫侖是1A電流在1s內(nèi)輸運(yùn)的電量，即1C=1A·S。1庫侖=1安培·秒1法拉=1安培·秒/伏特電瓶（蓄電池）12伏14安時的放電量=14*3600*1/12=4200 法拉(F)，（注：12伏14安時電瓶是由2v14安時6塊串聯(lián)來

6、的，如果改成6快并聯(lián)，就等于2v84安時，轉(zhuǎn)換為1v就是168安時）。地球的電容值僅有1-2F左右。優(yōu)點(diǎn)很小的體積下達(dá)到法拉級的電容量；無須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負(fù)面影響；從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題；缺點(diǎn)如果使用不當(dāng)會造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路；超級所在超級電容器之所以稱之為“超級”的原因：超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個容性存儲層，被分

7、離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)構(gòu)允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10 &Aring;）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的

8、距離更小。龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。放電控制控制超級電容器的放電：超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數(shù)在12s，完全給阻-容式電路放電大約需要5，也就是說如果短路放電大約需要510s。（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實(shí)際上得花上數(shù)個小時才能將殘留的電荷完全放干凈）放電的控制時間：超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實(shí)際上決定于電容器單體大小，對于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)

9、致斷路。使用注意1、超級電容器具有固定的極性。使用前應(yīng)確認(rèn)極性。1 2、應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用。 當(dāng)電容器電壓超過標(biāo)稱電壓時，將會導(dǎo)致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。3、不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中。高頻率的快速充放電會導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導(dǎo)致電容器性能崩潰。4、外部環(huán)境溫度對使用壽命有著重要影響。電容器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源。5、被用做后備電源時的電壓降。由于超級電容器具有內(nèi)阻較大的特點(diǎn)，在放電的瞬間存在電壓降V=IR。6、不可處于相對濕度大于85%或含有有毒氣體的場所。這些環(huán)境下會導(dǎo)致引線及電容器殼

10、體腐蝕，導(dǎo)致斷路。7、不能置于高溫、高濕的環(huán)境中。應(yīng)在溫度-30+50、相對濕度小于60%的環(huán)境下儲存，避免溫度驟升驟降，否則會導(dǎo)致?lián)p壞。8、用于雙面電路板上時連接處不可經(jīng)過電容器可觸及的地方。由于超級電容器的安裝方式，會導(dǎo)致短路現(xiàn)象。9、當(dāng)把電容器焊接在線路板上，不可將電容器殼體接觸到線路板上。否則焊接物會滲入至電容器穿線孔內(nèi)，對電容器性能產(chǎn)生影響。10、安裝超級電容器后，不可強(qiáng)行傾斜或扭動電容器。否則會導(dǎo)致電容器引線松動，導(dǎo)致性能劣化。11、在焊接過程中避免使電容器過熱。若在焊接中使電容器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，會降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板，焊接過程應(yīng)為260，

11、時間不超過5s。12、在電容器經(jīng)過焊接后，線路板及電容器需要經(jīng)過清洗。因?yàn)槟承╇s質(zhì)可能會導(dǎo)致電容器短路。13、將電容器串聯(lián)使用。由于工藝原因，單極超級電容器的額定工作電壓一般在2.8V左右，所以大多情況下必須串聯(lián)使用，由于串聯(lián)回路每個單體容量很難保證100%相同，也很難保證每個單體漏電也相同，這樣就會導(dǎo)致串聯(lián)回路的每個單體充電電壓不同，可能會導(dǎo)致電容器過壓損壞，因此，超級電容器串聯(lián)必須附加均壓電路。當(dāng)超級電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，需得到廠家的技術(shù)支持。選擇標(biāo)準(zhǔn)對于超級

12、電容的選擇，功率要求、放電時間及系統(tǒng)電壓變化起決定作用。超級電容器的輸出電壓降由兩部分組成，一部分是超級電容器釋放能量；另一部分是由于超級電容器內(nèi)阻引起。兩部分誰占主要取決于時間，在非?？斓拿}沖中，內(nèi)阻部分占主要的，相反在長時間放電中，容性部分占主要。參數(shù)選擇以下基本參數(shù)決定選擇的電容器的大?。撼夒娙萜髂K超級電容器模塊1、 最高工作電壓；2、 工作截止電壓；3、 平均放電電流；4、 放電時間多長。超級電容器和電池的選擇方法超級電容與電池比較有如下特性：a.超低串聯(lián)等效電阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能

13、釋放瞬間電流18A以上）。b. 超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。c. 可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應(yīng)。d. 免維護(hù)，可密封。e.溫度范圍寬-40+70，一般電池是-2060。f.超級電容可以串并聯(lián)組成成超級電容模組，可耐壓儲存更高容量。具體選擇方法：超級電容器不同于電池，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它可能優(yōu)于電池。有時將兩者結(jié)合起來，將電容器的功率特性和電池的高能量存儲結(jié)合起來，不失為一種更好的途徑。超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以

14、完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。超級電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰?。在一些功率決定能量存儲器件尺寸的應(yīng)用中，超級電容器是一種更好的途徑。超級電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾百個循環(huán)。前景分析嘗試實(shí)例先驅(qū)EEStor公司勇于挑戰(zhàn)卻

15、慘遭敗北盡管超級電容器已發(fā)展多年，但實(shí)際生產(chǎn)廠家的數(shù)量卻少得可憐。一部分廠商面對超級電容器技術(shù)上發(fā)育不完全的現(xiàn)狀，不敢輕易投資，采取觀望策略，期待市場能出現(xiàn)一個涉足此領(lǐng)域并獲得成功的例子。另外一部分廠商則堅(jiān)信，只要超級電容器的生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)大幅下降，僅以當(dāng)前它的快速充放電特性，就可實(shí)現(xiàn)快速普及。美國超級電容器生產(chǎn)商EEStor就屬于后者。上世紀(jì)90年代，美國超級電容器生產(chǎn)商EEStor為改變超級電容器的市場現(xiàn)狀，曾用好幾年的時間將大量財(cái)力物力投向如何提高超級電容能量密度的研發(fā)上，期望能通過自身技術(shù)讓超級電容器在生產(chǎn)和應(yīng)用方面上升到一個新的臺階。當(dāng)時EEStor爭取到了巨額的研發(fā)資金，還與電動汽車

16、電機(jī)提供商ZENN公司達(dá)成了戰(zhàn)略合作。然而，多名參與此項(xiàng)研究的科學(xué)家最后得出了令人遺憾的結(jié)論：我們很想打破超級電容器的市場僵局，但現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。世界超級電容器先驅(qū)之一EEStor，在領(lǐng)域內(nèi)建立的里程碑式研發(fā)項(xiàng)目最終以失敗告終。發(fā)展機(jī)遇盡管超級電容器的制作成本每年都在以低于10%的比例減少，但這項(xiàng)技術(shù)依然不能在運(yùn)輸行業(yè)和自然能源采集方面擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。相比電池領(lǐng)域，超級電容器的技術(shù)過于落后，想要縮小兩者在研發(fā)方面的差距，首要任務(wù)應(yīng)解決如下問題：增加超級電容器生產(chǎn)廠商數(shù)量，通過市場競爭的手段刺激相關(guān)技術(shù)的研發(fā)；擴(kuò)大高比功率超級電容器的生產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)突破百萬件的年生產(chǎn)量；將超級電容器當(dāng)前的

17、制造成本降低50%；擬定一個超級電容器可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，主要針對更高效電極材料的探索。要達(dá)到上述目標(biāo)需要廠商對超級電容器市場有一個逐年上升的投資力度，主要用于在設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)兩方面。與此同時，政府?dāng)U大資金和技術(shù)支持也將起到至關(guān)重要的作用。超級電容器的主要研究國為中、日、韓、法、德、加、美。從制造規(guī)模和技術(shù)水平來看，亞洲暫時領(lǐng)先。尷尬現(xiàn)狀超級電容器的研發(fā)工作一直籠罩在電池（主要為鎳氫電池、鋰電池）的陰影之下。鎳氫電池和鋰電池的開發(fā)因?yàn)榭梢垣@得來自政府和大投資商的巨額資金支持，技術(shù)交流獲得極大推動，也更容易聚焦全世界的目光。相比之下，超級電容器卻很難得到雄厚的資金支持，技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展也就受到很大

18、程度地制約。另外，超級電容器成本高、能量密度低的現(xiàn)狀也與鋰電池形成鮮明對比，這使它在很多領(lǐng)域備受冷落，在實(shí)際應(yīng)用上卻總被電池取代。然而，超級電容器在技術(shù)上一旦取得突破，將可對新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生極大的推動力。中國國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r2010年上海世博會中穩(wěn)定運(yùn)營的36輛超級電容客車吸引了眾多觀光者的眼球。中國國內(nèi)從事大容量超級電容器研發(fā)的廠家共有50多家，然而，能夠批量生產(chǎn)并達(dá)到實(shí)用化水平的廠家不到20家。國內(nèi)廠商大多生產(chǎn)液體雙電層電容器，重要企業(yè)有錦州凱美能源（原錦州富辰、錦州錦容）、北京集星電子、上海奧威等十多家。錦州凱美能源是國內(nèi)最大的超級電容器專業(yè)生產(chǎn)廠，主要生產(chǎn)紐扣型和卷繞型超級電容器。北

19、京集星可生產(chǎn)卷繞型和大型電容器，而上海奧威產(chǎn)品多集中在車用超級電容器上。從各廠商的產(chǎn)品來看，核心企業(yè)間的競爭并不直接，因?yàn)闆]有完全重復(fù)的，競爭也只是局限于一個領(lǐng)域范圍內(nèi)的。上海奧威、凱美、集星電子等幾家企業(yè)仍將占據(jù)國內(nèi)市場絕大的份額，細(xì)分市場上各企業(yè)的競爭優(yōu)勢將更加明顯?？偟脕碚f，市場競爭不會太激烈?；谥袊M(fèi)電子近些年來的驚人增長表現(xiàn)，預(yù)計(jì)幾年內(nèi)中國紐扣型超級電容器有望保持30%以上的平均增長率，卷繞型和大型超級電容器則有可能保持50%以上的平均增長率。2013年我國超級電容器的整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到79億元。1 最新開發(fā)電池與超級電容器各有利弊，為了集兩者的優(yōu)點(diǎn)于一身，工程師們試圖發(fā)明兩者

20、的混合體-“超級電池”（battery-ultracapacitor）。工程師們的首要任務(wù)是要攻克高能量密度這一關(guān)口，因?yàn)橐坏┙鉀Q了這一難題，超級電池就可替代高成本、大功率超級電容器在運(yùn)輸行業(yè)和自然能源采集方面的應(yīng)用。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員2013年3月宣布發(fā)明了一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級電容器，這種電容器用僅有一個原子厚度的碳層制成，其充電和放電的速度比標(biāo)準(zhǔn)電池快百倍甚至千倍。制造這種超級電容器并不需要高精尖的設(shè)備器械，一臺普通的DVD刻錄機(jī)就可以完成整個生產(chǎn)過程。研究小組就表示，使用這種技術(shù) ，他們利用廉價(jià)材料在一個光盤上制造100多個微型超級電池，只花費(fèi)了不到半個小時的時間。

21、澳科學(xué)家發(fā)明“超級電容”新材料2013年7月1日澳大利亞國立大學(xué)發(fā)布消息說，該?？茖W(xué)家發(fā)明了一種能儲存更多電能、損耗更小的絕緣材料，可用于制造“超級電容”，在可再生能源、電動汽車、國防及航空航天等領(lǐng)域具有很高應(yīng)用價(jià)值。汽車領(lǐng)域在汽車工業(yè)中，智能啟?？刂葡到y(tǒng)（輕型混合動力系統(tǒng)）的應(yīng)用為超級電容器提供了廣闊的舞臺，在插電式混合動力汽車上的表現(xiàn)尤為突出。2 由于電動汽車頻繁啟動和停車，使得蓄電池的放電過程變化很大。在正常行駛時，電動汽車從蓄電池中汲取的平均功率相當(dāng)?shù)?，而加速和爬坡時的峰值又相當(dāng)高。在現(xiàn)有的電動汽車電池技術(shù)條件下，蓄電池必須在比能量和比功率以及比功率和循環(huán)壽命之間做出平衡，而難以在一套

22、能源系統(tǒng)上同時追求高比能量、高比功率和長壽命。為了解決電動汽車?yán)m(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾，可以考慮采用兩套能源系統(tǒng)，其中由主能源提高最佳的續(xù)駛里程，而由輔助能源在加速和爬坡時提供短時的輔助動力。輔助能源系統(tǒng)的能量可以直接取自主能源，也可以在電動汽車剎車或下坡時回收可再生的動能，選用超級電容做輔助能。短期內(nèi)，超級電容極低的比能量使其不可能被單獨(dú)用作電動汽車能源系統(tǒng)，但用做輔助能量源具有顯著優(yōu)點(diǎn)。在電動汽車上使用的最佳組合為電池-超級電容混合能量系統(tǒng)，對電池的比能量和比功率要求分開。超級電容具有負(fù)載均衡作用，電池的放電電流減少使用電池的可利用能量、使用壽命得到顯著提高；與電池相比，超級電容可以迅速高效地吸收電動汽車制動產(chǎn)生的再生動能。超級電容的早和均衡和能量回收作用使車輛的續(xù)駛里程得到極大的提高。但系統(tǒng)要對電池、超級電容、電動機(jī)和功率逆變器等做綜合控制和優(yōu)化匹配，功率變換器及其控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)用充分考慮電動機(jī)和超級電容之間的匹配。其他領(lǐng)域超級電容器三十多年的發(fā)展歷程中微型超級電容器已經(jīng)在小型機(jī)械設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用，例如電腦