標籤:超級電容法拉電容金電容超級電容器

超級電容器(Supercapacitors,ultracapacitor),又名電化學電容器(Electrochemical Capacitors),雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容,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。它不同於傳統的化學電源,是一種介於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。但在其儲能的過程並不發生化學反應,這種儲能過程是可逆的,也正因為此超級電容器可以反覆充放電數十萬次。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度範圍寬,是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種。

1分類

根據儲能機理的不同可以分為一下兩類:
  • 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生的。對一個電極/溶液體系,會在電子導電的電極和離子導電的電解質溶液界面上形成雙電層。當在兩個電極上施加電場后,溶液中的陰、陽離子分別向正、負電極遷移,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。這時對某一電極而言,會在一定距離內(分散層)產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。
  • 法拉第准電容: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准二維空間上,電活性物質進行欠電位沉積,發生高度可逆的化學吸脫附和氧化還原反應,產生與電極充電電位有關的電容。對於法拉第准電容,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發生的氧化還原反應。當電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場的作用下由溶液中擴散到電極/溶液界面時,會通過界面上的氧化還原反應而進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,這些進入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應的逆反應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,這就是法拉第准電容的充放電機理。

2突出特點

超級電容
(1)充電速度快,充電10秒~10分鐘可達到其額定容量的95%以上;
(2)環使用壽命長,深度充放電循環使用次數可達1~50萬次,沒有「記憶效應」;
(3)大電流放電能力超強,能量轉換效率高,過程損失小,大電流能量循環效率≥90%;
(4)功率密度高,可達300W/KG~5000W/KG,相當於電池的5~10倍;
(5)產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染,是理想的綠色環保電源;
(6)充放電線路簡單,無需充電電池那樣的充電電路,安全係數高,長期使用免維護;
(7)超低溫特性好,溫度範圍寬-40℃~+70℃;
(8)檢測方便,剩餘電量可直接讀出;
(9)容量範圍通常0.1F--1000F 。
單位介紹
法拉(farad),簡稱「法」,符號是F
1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/1V
1庫侖是1A電流在1s內輸運的電量,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*12=604800 法拉(F),(註:12伏14安時電瓶是由2v14安時6塊串聯來的,如果改成6快並聯,就等於2v84安時,轉換為1v就是168安時)。地球的電容值僅有1-2F左右。
  • 優點
  1. 很小的體積下達到法拉級的電容量;
  2. 無須特別的充電電路和控制放電電路;
  3. 和電池相比過充、過放都不對其壽命構成負面影響;
  4. 從環保的角度考慮,它是一種綠色能源;
  5. 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
  1. 如果使用不當會造成電解質泄漏等現象;
  2. 和鋁電解電容器相比,它內阻較大,因而不可以用於交流電路;

3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中的兩個無反應活性的多孔電極板,在極板上加電,正極板吸引電解質中的負離子,負極板吸引正離子,實際上形成兩個容性存儲層,被分離開的正離子在負極板附近,負離子在正極板附近。
  • 超級電容器在分離出的電荷中存儲能量,用於存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集,其電容量越大。
  • 傳統電容器的面積是導體的平板面積,為了獲得較大的容量,導體材料卷製得很長,有時用特殊的組織結構來增加它的表面積。傳統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,這些材料通常要求儘可能的薄。
  • 超級電容器的面積是基於多孔炭材料,該材料的多孔結構允許其面積達到2000m2/g,通過一些措施可實現更大的表面積。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離子尺寸決定的。該距離(<10 &Aring;)和傳統電容器薄膜材料所能實現的距離更小。
  • 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電容器而言有驚人大的靜電容量,這也是其「超級」所在。

4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τ在1~2s,完全給阻-容式電路放電大約需要5τ,也就是說如果短路放電大約需要5~10s。(由於電極的特殊結構它們實際上得花上數個小時才能將殘留的電荷完全放乾淨)
放電的控制時間:
超級電容器可以快速充放電,峰值電流僅受其內阻限制,甚至短路也不是致命的。實際上決定於電容器單體大小,對於匹配負載,小單體可放10A,大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱,反覆地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高,最終導致斷路。

5使用注意

1、超級電容器具有固定的極性。使用前應確認極性。
2、應在標稱電壓下使用。當電容器電壓超過標稱電壓時,將會導致電解液分解,同時電容器會發熱,容量下降,而且內阻增加,壽命縮短,在某些情況下,可導致電容器性能崩潰。
3、不可應用於高頻率充放電的電路中。高頻率的快速充放電會導致電容器內部發熱,容量衰減,內阻增加,在某些情況下會導致電容器性能崩潰。
4、外部環境溫度對使用壽命有著重要影響。電容器應盡量遠離熱源。
5、被用做後備電源時的電壓降。由於超級電容器具有內阻較大的特點,在放電的瞬間存在電壓降ΔV=IR
6、不可處於相對濕度大於85%或含有有毒氣體的場所。這些環境下會導致引線及電容器殼體腐蝕,導致斷路。
7、不能置於高溫、高濕的環境中。應在溫度-30+50℃、相對濕度小於60%的環境下儲存,避免溫度驟升驟降,否則會導致損壞。
8、用於雙面電路板上時連接處不可經過電容器可觸及的地方。由於超級電容器的安裝方式,會導致短路現象。
9、當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,對電容器性能產生影響。
10、安裝超級電容器后,不可強行傾斜或扭動電容器。否則會導致電容器引線鬆動,導致性能劣化。
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過熱現象,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,焊接過程應為260℃,時間不超過5s。
12、在電容器經過焊接后,線路板及電容器需要經過清洗。因為某些雜質可能會導致電容器短路。
13、將電容器串聯使用。由於工藝原因,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使用,由於串聯迴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,這樣就會導致串聯迴路的每個單體充電電壓不同,可能會導致電容器過壓損壞,因此,超級電容器串聯必須附加均壓電路。當超級電容器進行串聯使用時,存在單體間的電壓均衡問題,單純的串聯會導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,故在電容器進行串聯使用時,需得到廠家的技術支持。

6選擇標準

對於超級電容的選擇,功率要求、放電時間及系統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;另一部分是由於超級電容器內阻引起。兩部分誰佔主要取決於時間,在非常快的脈衝中,內阻部分佔主要的,相反在長時間放電中,容性部分佔主要。
參數選擇
以下基本參數決定選擇的電容器的大小:
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.超低串聯等效電阻(LOW ESR),功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數十倍以上,適合大電流放電,(一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上)。
b. 超長壽命,充放電大於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,連續使用可達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。
d. 免維護,可密封。
e.溫度範圍寬-40℃~+70℃,一般電池是-20℃~60℃。
f.超級電容可以串並聯組成成超級電容模組,可耐壓儲存更高容量。
具體選擇方法:
  • 超級電容器不同於電池,在某些應用領域,它可能優於電池。有時將兩者結合起來,將電容器的功率特性和電池的高能量存儲結合起來,不失為一種更好的途徑。
  • 超級電容器在其額定電壓範圍內可以被充電至任意電位,且可以完全放出。而電池則受自身化學反應限制工作在較窄的電壓範圍,如果過放可能造成永久性破壞。
  • 超級電容器的荷電狀態(SOC)與電壓構成簡單的函數,而電池的荷電狀態則包括多樣複雜的換算。
  • 超級電容器與其體積相當的傳統電容器相比可以存儲更多的能量,電池與其體積相當的超級電容器相比可以存儲更多的能量。在一些功率決定能量存儲器件尺寸的應用中,超級電容器是一種更好的途徑。
  • 超級電容器可以反覆傳輸能量脈衝而無任何不利影響,相反如果電池反覆傳輸高功率脈衝其壽命大打折扣。
  • 超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。
  • 超級電容器可以反覆循環數十萬次,而電池壽命僅幾百個循環。

7前景分析

發展機遇
儘管超級電容器的製作成本每年都在以低於10%的比例減少,但這項技術依然不能在運輸行業和自然能源採集方面擴大生產規模。相比電池領域,超級電容器的技術過於落後,想要縮小兩者在研發方面的差距,首要任務應解決如下問題:
  • 增加超級電容器生產廠商數量,通過市場競爭的手段刺激相關技術的研發;
  • 擴大高比功率超級電容器的生產規模,實現突破百萬件的年生產量;
  • 將超級電容器當前的製造成本降低50%;
  • 擬定一個超級電容器可持續發展戰略,主要針對更高效電極材料的探索。
要達到上述目標需要廠商對超級電容器市場有一個逐年上升的投資力度,主要用於在設備的研發和生產兩方面。與此同時,政府擴大資金和技術支持也將起到至關重要的作用。
超級電容器的主要研究國為中、日、韓、法、德、加、美。從製造規模和技術水平來看,亞洲暫時領先。
最新開發
電池與超級電容器各有利弊,為了集兩者的優點於一身,工程師們試圖發明兩者的混合體--「超級電池」(battery-ultracapacitor)。工程師們的首要任務是要攻克高能量密度這一關口,因為一旦解決了這一難題,超級電池就可替代高成本、大功率超級電容器在運輸行業和自然能源採集方面的應用。美國加州大學洛杉磯分校的研究人員2013年3月宣布發明了一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器,這種電容器用僅有一個原子厚度的碳層製成,其充電和放電的速度比標準電池快百倍甚至千倍。製造這種超級電容器並不需要高精尖的設備器械,一台普通的DVD刻錄機就可以完成整個生產過程。研究小組就表示,使用這種技術 ,他們利用廉價材料在一個光碟上製造100多個微型超級電池,只花費了不到半個小時的時間。
澳科學家發明「超級電容」新材料
2013年7月1日澳大利亞國立大學發布消息說,該校科學家發明了一種能儲存更多電能、損耗更小的絕緣材料,可用於製造「超級電容」,在可再生能源、電動汽車、國防及航空航天等領域具有很高應用價值。

8應用產品

超級電容
汽車領域
在汽車工業中,智能啟停控制系統(輕型混合動力系統)的應用為超級電容器提供了廣闊的舞台,在插電式混合動力汽車上的表現尤為突出。由於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低,而加速和爬坡時的峰值又相當高。在現有的電動汽車電池技術條件下,蓄電池必須在比能量和比功率以及比功率和循環壽命之間做出平衡,而難以在一套能源系統上同時追求高比能量、高比功率和長壽命。為了解決電動汽車續駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾,可以考慮採用兩套能源系統,其中由主能源提高最佳的續駛里程,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,超級電容極低的比能量使其不可能被單獨用作電動汽車能源系統,但用做輔助能量源具有顯著優點。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,對電池的比能量和比功率要求分開。超級電容具有負載均衡作用,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駛里程得到極大的提高。但系統要對電池、超級電容、電動機和功率逆變器等做綜合控制和優化匹配,功率變換器及其控制器的設計應用充分考慮電動機和超級電容之間的匹配。
其他領域
超級電容器三十多年的發展歷程中微型超級電容器已經在小型機械設備上得到廣泛應用,例如電腦內存系統、照相機、音頻設備和間歇性用電的輔助設施。而大尺寸的柱狀超級電容器則多被用於汽車領域和自然能源採集上。就未來十年的發展而言,超級電容器將是運輸行業和自然能源採集的重要組成部分。
  • 大尺寸超級電容器(125伏)可用在火車和地鐵的剎車制動系統上,亦可為物料搬運工程車提供能量輸出;中等尺寸超級電容器(75伏)可用在太陽能能量收集方面,因為其具備可在高溫下工作的特性;48V超級電容器應用於汽車;小尺寸超級電容器(2.7伏之內)則對通訊設施的持續供電和電腦內存系統儲存後備電源等有極大貢獻。
  • 超級電容器的低阻抗對於當今許多高功率應用是必不可少的。對於快速充放電,超級電容器小的ESR意味著更大的功率輸出,幾秒鐘充電,幾分鐘放電。例如電動工具、電動玩具;
  • 在UPS系統中,超級電容器提供瞬時功率輸出,作為發動機或其它不間斷系統的備用電源的補充;
  • 當公共汽車從一種動力源切換到另一動力源時的功率支持;
  • 小電流,長時間持續放電,例如計算機存儲器後備電源;
  • 瞬時功率脈衝應用,重要存儲、記憶系統的短時間功率支持。
在自然能源採集領域裡,風力發電工作流程離不開液壓系統或電池。因為發電機的扇葉每次停下時,內部的渦輪機就會將扇葉調整到指定位置,這個過程在風力發電中被稱為變漿距控制系統,運作過程中所需的電能由液壓系統或電池來提供。對於電池來說,間歇性工作強度大,再加上常年的負荷,會導致自身使用壽命大打折扣。為此每隔幾年就會對每一個風力發電機進行一次「高空作業」,電池的維修和更換也是一筆不小的費用。大功率超級電容器利用其充放電快,循環壽命長的特點,可以代替電池勝任此工作,雖然前期投入成本高,但是相比頻繁維護和更換電池,費用還更低廉一些,同時還可降低工作強度。現在來說超級電容器還沒有作為炙手可熱的輔助設備滲透進這個能量網路。
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