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超級電容/電池綱要全解及應用發展趨勢

日期:2021/1/19 10:49:25
摘要:由于絕緣材料的不同,所構成的電容器的種類也有所不同: 按結構可分為:固定電容,可變電容,微調電容。按介質材料可分為:氣體介質電容,液體介質電容,無機固體介質電容,有機固體介質電容電解電容。

對于一些理工科的人來講,可能對電容都或多或少有一定的了解,就算是普通的人,可能也見過電容,因為在我們的現實生活中,經常能夠見到電容的影子,不過超級電容電池并不是那么多人知曉,超級電容電池是在超級電容器的基礎上研發出來的一種電池,這種電池具有非常顯著的特點,是比傳統電池更加強勢一種電池,優勢非常多,在許多方面的應用非常的多,比如說在新能源汽車、有軌電車等等,都可以見到超級電容電池的影子,可以這么說,超級電容電池的出現以及發展,必將會帶來再次的工業革命,極大的提高某些方面的運作能力。

  超級電容電池
  一、電容的種類

  由于絕緣材料的不同,所構成的電容器的種類也有所不同: 按結構可分為:固定電容,可變電容,微調電容。按介質材料可分為:氣體介質電容,液體介質電容,無機固體介質電容,有機固體介質電容電解電容。按極性分為:有極性電容和無極性電容。 我們最常見到的就是電解電容。從原理上分為:無極性可變電容、無極性固定電容、有極性電容等。從材料上可以分為:CBB電容(聚乙烯),滌綸電容、瓷片電容、云母電容、獨石電容、電解電容、鉭電容等。

  1、電解電容

  兩片鋁帶和兩層絕緣膜相互層疊,轉捆后浸泡在電解液(含酸性的合成溶液)中,容量大,高頻特性不好。

  2、獨石電容

  體積比CBB更小,其他同CBB,有感。

  3、云母電容

  云母片上鍍兩層金屬薄膜,容易生產,技術含量低,體積大,容量小,(幾乎沒有用了)。

  4、陶瓷電容

  用陶瓷作介質,在陶瓷基體兩面噴涂銀層,然后燒成銀質薄膜做板極制成,它的特點是體積小,耐熱性能好,損耗小,絕緣電阻高,但容量小,適宜用于高頻電路。

  5、基層電容

  鐵電陶瓷電容容量較大,但是損耗和溫度系數較大,適宜用于低頻電路。薄瓷片兩面渡金屬膜銀而成,體積小,耐壓高,價格低,頻率高(有一種是高頻電容),易碎!容量低。

  6、CBB電容

  2層聚乙烯塑料和2層金屬箔交替夾雜然后捆綁而成。

  7、無感CBB電容

  2層聚丙乙烯塑料和2層金屬箔交替夾雜然后捆綁而成,無感,高頻特性好,體積較小,不適合做大容量,價格比較高,耐熱性能較差。

  二、超級電容器是傳統電容的升級

  平板電容器是由兩個彼此絕緣的金屬電極板組成,電容量與電極板的面積成正比,與電極板之間的間隙大小成反比。超級電容的結構類似于平板電容,其電極為多孔碳基材料,該材料的多孔結構使它每克重量的表面積可達幾千平方米,而電容電荷分隔的距離由電解質 中的離子大小決定。巨大的表面積加上電荷間極小的距離,使得超級電容具有很大的容量,超級電容單體的容量可從1法拉至幾千法拉不等。

  與傳統電池相比,超級電容具有許多優點:充電速度快,10秒~10分鐘即可充至其額定容量的95%以上;功率密度達(102~104)W/kg,是鋰電池的10倍左右;大電流放電能力強;循環使用次數達10~50萬次,壽命長;安全系數高,長期使用免維護。但與主流硫電池相比仍面臨成本高、能量密度低的劣勢。

  三、超級電容器可作為電池的替代品

  在某些應用中,超級電容是電池的替代品;還 有一些應用中,超級電容為電池提供支持。有些情況下,超級電容可能無法存儲足夠的能量,此時就有必要使用電池了。例如,當環境能源(例如太陽)為間歇式 時,如在夜間,則存儲的能量不僅要用于提供峰值功率,而且還要支撐應用更長的時間。

  如果所需峰值功率超過了電池可以提供的量(如在低溫下做GSM呼叫或小 功率傳輸),則電池可以用小功率為超級電容充電,而超級電容來提供大的脈沖功率。這種結構還意味著電池永遠不會深度循環,從而延長了電池壽命。超級電容存 儲物理電荷,而不是像電池那樣的化學反應,因此超級電容實際有無限的循環壽命。
  當超級電容從一只電池充電來提供峰值功率脈沖 時,各個脈沖之間存在著一個重要的間隔,如果脈沖相距過近,則讓超級電容總是處于充電狀態會更有效率。但如果脈沖間距不太近,則能效更高的辦法是在峰值功 率事件以前為超級電容充電。

  這個間隔取決于多種因素,包括超級電容在達到均衡泄漏電流以前吸納的電容、超級電容的自放電特性,以及電路為了提供給峰值功率 事件而從超級電容拉出的電荷。只有當你預先知道峰值功率事件的來臨時間,這種選擇才是有效的,而不能用于對不可預測事件的反應,如電池失效或外部刺激。

  四、超級電容電池與超級電容器
  
  超級電容電池又叫雙電層電容器是一種新型儲能裝置,它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。超級電容器由于石油資源日趨短缺,并且燃燒石油的內燃機尾氣排放對環境的污染越來越嚴重(尤其是在大、中城市),人們都在研究替代內燃機的新型能源裝置。

  超級電容是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同于傳統的化學電源,是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源,主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。

  五、超級電容電池的好處
  1、充電時間

  目前充電樁概念很火,但是充一次要五個小時。這個是制約鋰電池汽車的最大難題。石墨希超級電容短的讓人吃驚,如果和充電樁結合起來,這個效率最起碼是鋰電池不能比的。根據株洲中車的說明,根據不同的容量和額定工作電壓,3伏/12000法拉超級電容在30秒內即可充滿電,2.8伏/30000法拉超級電容充電時間在1分鐘內。

  相比活性炭超級電容,石墨烯/活性炭復合電極超級電容能量更大,壽命更長。據說這一技術代表了目前世界超級電容單體技術的最高水平,技術研發持續走在世界前列。

  2、安全性

  電池應該都有爆炸的風險。目前各類電池安全措施都很好,除了偽劣電池,爆炸的可能性都很低。在鋰離子電池中,帶有最大的危險是中間的有機電解質溶劑,以易燃的醚類最多。當電池因為任何原因短路時,電池內能量會在短時間以熱的形式釋放出來,點燃這些做為溶劑的醚類,引發爆炸。

  鋰離子電池,由于夏天車內溫度較高,所以發生爆炸或自燃的可能性很大。超級電容器,充滿電后用射釘槍打,使其短路,任何反應都沒有;放火上燒,不銹鋼外殼快燒紅了,也沒發生爆炸(一網友的描述)。和中國中車株機公司技術中心副總監、寧波超級電容研究所所長阮殿波描述的差不多,“無污染、無爆炸”。

  3、續航里程

  2014年12月26號,美國電動汽車制造商特斯拉發布了兩年前停產的第一代車型Roadster的升級版,續航里程達到644公里,高出原版60%。特斯拉CEO馬斯克稱,特斯拉的高性能石墨烯電池,相比目前的容量增長近70%。國內某網站也曾宣稱2015年上半年有望量產石墨烯鋰電池,但是至今未有下文。

  一位網友實際測試的結果是“以我們測試的這天為例,早上滿電出發,到下午還車,由于駕駛比較激烈,所以雖然一共只開了140多公里,最后剩余電量就只有20%左右。我個人推測在北京這樣的大城市使用,它的實際續航里程應該在250-300km公里左右”。據鳳凰網報道,一家以色列公司StoreDot達到目標正在發明一項技術使電動車可以在僅僅5分鐘的充電后行駛幾百英里。目前已運用在消費者手機上,并有望日后應用在電動車上的StoreDot電池。

  但是在電動車的應用研發上可能需要更長時間。即使一切順利,至少五年內StoreDot的電池都不太可能完成其電動車應用的商業化進程。根據國內一論文結論,“如果綜合考量材料成本、生產工藝、加工性和電化學性能,筆者認為,石墨烯或者石墨烯復合材料實際用于鋰電負極的可能性很小產業化前景渺茫?!?br>
  在石墨希鋰電池未量產之際,石墨希超級電容面世了,3伏/12000法拉超級電容適合用于有軌電車主驅動,單次充電行駛里程可達6公里,2.8伏/30000法拉超級電容適合用于無軌電車主驅動,單次充電行駛里程可從目前的4~6公里提高到8~10公里。論續航能力,超級電容能量密度低,還有提高空間,但是用在公交車上是綽綽有余了。但是網上還有新聞,中上汽車董事長謝镕安介紹,超級電容充電3分鐘左右可續駛20公里。這個沒有經歷過,具體能續航多少沒有確切數據。

  六、超級電容電池的兩個電容形式
  
  實踐過程中,人們為了達到提高電容器的性能,降低成本的目的,經常將贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合使用,制成所謂的混合電化學電容器?;旌想娀瘜W電容器可分為兩類,一類是電容器的一個電極采用贗電容電極材料,另一個電極采用雙電層電容電極材料,制成不對稱電容器,這樣可以拓寬電容器的使用電壓范圍,提高能量密度;另一類是贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合組成復合電極,制備對稱電容器。

  1、法拉第贗電容器

  法拉第贗電容器也叫法拉第準電容,是在電極表面活體相中的二維或三維空間上,電活性物質進行欠電位沉積,發生高度可逆的化學吸附或氧化還原反應,產生與電極充電電位有關的電容。這種電極系統的電壓隨電荷轉移的量呈線性變化,表現出電容特征,故稱為“準電容”,是作為雙電層型電容器的一種補充形式。原文地址:http://www.pikacn.com/news/201611/5284.html

  法拉第準電容的充放電機理為:電解液中的離子( 一般為H+或OH-)在外加電場的作用下向溶液中擴散到電極/溶液界面,而后通過界面的電化學反應進入到電極表面活性氧化物的體相中;若電極材料是具有較大比表面積的氧化物,就會有相當多的這樣的電化學反應發生,大量的電荷就被存儲在電極中。放電時這些進入氧化物中的離子又會重新回到電解液中,同時所存儲的電荷通過外電路釋放出來。

  2、雙電層電容器

  一對浸在電解質溶液中的固體電極在外加電場的作用下,在電極表面與電解質接觸的界面電荷會重新分布、排列。作為補償,帶正電的正電極吸引電解液中的負離子,負極吸引電解液中的正離子,從而在電極表面形成緊密的雙電層,由此產塵的電容稱為雙電層電容。雙電層是由相距為原子尺寸的微小距離的兩個相反電荷層構成,這兩個相對的電荷層就像平板電容器的兩個平板一樣。Helmholtz首次提出此模型。

  能量是以電荷的形式存儲在電極材料的界面。充電時,電子通過外加電源從正極流向負極,同時,正負離子從溶液體相中分離并分別移動到電極表面,形成雙電層;充電結束后,電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩定,在正負極間產生相對穩定的電位差。在放電時,電子通過負載從負極流到正極,在外電路中產生電流,正負離子從電極表面被釋放進入溶液體相呈電中性。

  七、超級電容電池的泄露電流現象
  
  當超級電容充電時,泄漏電流會隨著時間而衰減,因為碳電極中的離子會擴散進入孔隙中。泄漏電流會穩定在一個均衡值,該值取決于電容、電壓和時間。泄漏電流與 電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經驗估計算法為室溫下1μA/F。圖6中的150mF電容,在160小時后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。泄 漏電流隨溫度升高而呈指數上升。

  當溫度升高時,穩定到均衡值的時間會減小,因為離子擴散的速度更快。因此,這些電容從0V充電需要的時間最小。根據不同的 超級電容,這個電流范圍從5μA~50μA。設計者在為能量采集電路挑選超級電容時,應考慮測試這個最小充電電流。

  八、超級電容電池的充電
  
  一個放電的超級電容就像一個與能量源短接的電路。所幸,很多能量采集源(如太陽能電池和微發電機)都可以驅動一個短接的電路,從0V起為一只超級電容直接充電。與各種能量源(如壓電或熱電能)接口的IC必須能夠驅動一個短接的電路,從而為超級電容充電。

  業界在MPPT(最大峰值功率追蹤)方面做了很大努力,以從能量采集源最有效地獲得功率。當必須用恒壓方式為電池充電時,這種方案是可行的。電池充電器通常是一個dc/dc轉換器,它對能量源是一個恒定功率的負載,因此,采用MPPT在最高效點獲得能量就是有意義的。

  與電池相反,超級電容不需要以恒壓充電,而以電源可以提供的最大電流充電時效率最高。一個簡單而有效的充電電路,用于太陽能電池陣列的開路電壓小 于超級電容額定電壓的情況。二極管可防止超級電容在太陽能電池無光照情況下對其反充電。如果能源的開路電壓大于超級電容的電壓,則超級電容需要采用分流穩 壓器做過壓保護。分流穩壓器是過壓保護一種廉價而簡單的方案,一旦超級電容充滿電,就無所謂是否消耗了過多的能量。

  能量采集器就像一根能無限供水的水管,為一個水槽注水(好比一只超級電容)。如果水槽滿了,水管仍開著,水就會溢出。這與電池不同,電池供給能量有限,因此需要串聯穩壓器。

  在電路里,超級電容為0V,從一塊太陽能電池芯獲取短路電流。隨著超級電容的充電,電流下降,這取決于太陽電池芯的電壓/電流特性。但超級電容總是 要獲取可能的最大電流,因此它以盡可能大的速率充電。中的電路采用了TLV3011太陽能電池芯,因為它內含了一個電壓基準,只需要約3μA的靜態電 流,并且它是一種漏極開路電池芯,當穩壓器關斷時,輸出就是開路的。電路采用了BAT54二極管,因為它在小電流時有低的正向壓降,即在正向電流小于 10μA時,正向電壓小于0.1V。

  微發電機很適合于工業控制應用,如監控旋轉的機器,因為機器在工作時會發生振動。給出了一只微發電機的電壓-電流特性,它類似于一只太陽能電池 芯,能夠為一個短接電路提供最大的電流。微發電機還帶有一個二極管橋,可防止超級電容為發電機反向充電,這就得到了一個簡單的充電電路。

  當超級電容充電時,泄漏電流會隨著時間而衰減,因為碳電極中的離子會擴散進入孔隙中。泄漏電流會穩定在一個均衡值,該值取決于電容、電壓和時間。泄漏電流與 電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經驗估計算法為室溫下1μA/F。中的150mF電容,在160小時后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。

  泄漏電流隨溫度升高而呈指數上升。當溫度升高時,穩定到均衡值的時間會減小,因為離子擴散的速度更快。因此,這些電容從0V充電需要的時間最小。根據不同的 超級電容,這個電流范圍從5μA~50μA。設計者在為能量采集電路挑選超級電容時,應考慮測試這個最小充電電流。

  九、超級電容電池帶動風力發電革命

  作為新興儲能元件,超級電容具有循環壽命長,充放時間快等特點,在風力發電機狹小的密閉有限空間輪轂控制柜內,超級電容更具有適應溫度范圍廣,體積小容量大,可焊接,維護簡單等優點,在風電設備系統中,超級電容不會過充,過放影響壽命,充放電過程僅僅是物理層面上的變化,不會對常年密閉空間作業的輪轂內部造成二次污染,超級電容以保持穩定的直流電壓,保證變槳伺服電機的正常運作。

  超級電容的基本工作原理是碳碳雙電層原理,存儲過程可逆,分析時采用RC模型,包括理想電容C等效串聯內阻RESP,等效并聯內阻REPR,RESP影響超級電容充放電效率,REPR影響電容自放電,即長期靜止存儲。存電荷不一樣的是,雙電層電容器是在電極-電解質表面以靜電形式的電荷進行儲能。這種儲能模式具有快速充電/放電能力、高可靠性和長循環壽命的特點,相對于鉛酸蓄電池,對于緊急變槳供電對多變的風況的情況下更具有優勢。

  更換了一部分超級電容以后針對于風能隨機性強力,環境惡劣,溫度濕度變化大,鹽霧污穢侵蝕嚴重等因素對供電模塊影響??梢缘贸龀夒娙菹啾茹U酸蓄電池更加穩定,實用性和可行性更強 可以預見超級電容的應用在風力發電技術越來越成熟的發展中所占的比例將逐漸上升。所以超級電容做為風力發電機后備電源具有很強的可行性。

  十、超級電容電池變革新能源汽車

  超級電容在新能源汽車中主要有三類應用:一是作為動力設備,如上海11路公交即為超級電容大巴,車輛運行中途充電只需30秒,一次充電可行駛5~8公里,既節能環保又兼顧城市景觀;二是作為發動機的輔助驅動,在汽車快速啟動時提供較大的驅動電流,減少了油耗和不完全燃燒的污染排放;三是對制動能量進行回收利用,當汽車需要加速時,再將這些儲存的能量釋放出來,提高了能源的使用效率。

  十一、超級電容電池展望有軌電車未來
  
  據不完全統計,目前全球已有超過60個國家、300個城市運營現代有軌電車;國內已有50多個城市開展了有軌電車的規劃、建設和運營。國內正在建設的超級電容儲能式有軌電車項目:武漢市大漢陽區有軌電車T1線,全長19km,已采購超級電容車輛21列;寧波市鄞州區有軌電車示范線,全長8km,已采購超級電容車輛10列;東莞市松山湖華為工業園區線,全長5km,已采購超級電容車輛5列;深圳市龍華新區有軌電車T1線,全長約12km,計劃配超級電容車輛15列;武漢市東湖高新區有軌電車T1/T2線,全長16/19km,計劃配超級電容車輛26列;廣州2020年前規劃約500公里有軌電車線網,計劃配超級電容車輛約500列等等。國外及港澳臺正在建設的超級電容儲能式有軌電車項目:臺灣高雄有軌電車環線,全長22km,已采購超級電容車輛約30列(CAF);卡塔爾多哈有軌電車線,全長12km,已采購超級電容車輛18列(SIEMENS)。

  目前已經運營或試運行的超級電容儲能式有軌電車有:廣州海珠(7.7km,已運營);江蘇淮安(20.3km試運行)。

  全球首條超級電容儲能式現代有軌電車運營線-廣州海珠線運行情況:運營時間: 9:00-21:00;上線數量: 工作日4+1列,周末6+1列;運營里程:230公里(每列15個往返);旅行速度: 24km/h,7.7km單程19分;正點率: 99.87%;每日客流:最高日超2萬張票(7列車);車輛電耗:《3度/公里↓30%。

  超級電容儲能式有軌電車已逐步融入了城市文化,它已經不僅僅是一種交通工具,而是一種新的生活方式。

  十二、超級電容電池助力混動力汽車發展
  
  HEV的由來,一個方面是從能源危機,另一方面是環境污染,再一個就是國家相關政策,從這幾個方面提出了混合動力需求。HEV的分類現在有不同的方法,上午和下午也介紹了不少。工作原理,我不是專業的,就不多介紹,主要還是契合主題,講我們的鈦酸鋰電池和超級電容器。

  首先要知道HEV的使用特點,目前HEV的使用特點第一個就是使用頻度比較高,頻繁、淺度的充放電循環;二是功率要求比較大,在充電過程中電流和電壓都有比較大的變化;三是工作環境,實際工況相對來說比較復雜。溫度方面,工作溫度需求區域就比較寬。

  根據以上實際工作特點,就對我們HEV相關電源提出了電源設計方面的要求。一是循環壽命,電池循環壽命要求比較高,最好是能夠持續使用15年以上。二是大功率充放電性能。三是工作適應溫度比較寬一點,盡可能在零下40和70度都有較好的充放電能力。四是安全穩定問題,純電動和混合電動都出現過安全事故,這塊大家都非常關注。五是充放電效率,動力電池中能量的循環必須經過充電-放電-充電的循環,高的充放電效率對保證整車效率具有至關重要的作用。

  目前在HEV使用的配套電池解決方案應該差不多有十種左右,一個是鉛酸電池;二是傳統的鎳氫電池;三是以磷酸鐵鋰為正極材料,以石墨或者碳為負極材料;四是以三元鎳鈷錳酸鋰為正極材料,石墨為負極材料;五是鋅鎳電池;六是就是我今天要談到的一個,以三元材料做正極,鈦酸鋰作為負極,就是鈦酸鋰電池,其實它也是我們鋰離子電池的一種,只是負極不同而已。七是超級電容器和其他二次電池的搭配使用,用到混合電動車上。當然還有液流電池和燃料電池、鐵鎳電池等,大概有十多種。

  總結:電池是動力的源頭,而電容作為存儲電量的基本,其重要性當然是非常重要的,如果電容和電池的特點能夠結合,那么肯定是非常具有誘惑力的,這就是超級電容電池的最大潛力,所以說,如果這種電池能夠得到普及的話,那必將會帶來一個革命。

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