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超級電容器從儲能機理上面分的話,超級電容器分為雙層電容器和贗電容器。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。超級電容器用途廣泛。

1概述

超級電容器(supercapacitor,ultracapacitor),
原理

  原理

又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、電化學電容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容,通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件,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。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。
超級電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知,插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷,從而使相間產生電位差。那麼,如果在電解液中同時插入兩個電極,並在其間施加一個小於電解質溶液分解電壓的電壓,這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動,並分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層,即雙電層。它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似,從而產生電容效應,緊密的雙電層近似於平板電容器,但是,由於緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多,因而具有比普通電容器更大的容量。
雙電層電容器與鋁電解電容器相比內阻較大,因此,可在無負載電阻情況下直接充電,如果出現過電壓充電的情況,雙電層電容器將會開路而不致損壞器件,這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時,雙電層電容器與可充電電池相比,可進行不限流充電,且充電次數可達10^6次以上,因此雙電層電容不但具有電容的特性,同時也具有電池特性,是一種介於電池和電容之間的新型特殊元器件。

2產生背景

超級電容器儲能系統

  超級電容器儲能系統

由於石油資源日趨短缺,並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。已經進行混合動力、燃料電池、化學電池產品及應用的研究與開發,取得了一定的成效。但是由於它們固有的使用壽命短、溫度特性差、化學電池污染環境、系統複雜、造價高昂等致命弱點,一直沒有很好的解決辦法。而超級電容器以其優異的特性揚長避短,可以部分或全部替代傳統的化學電池用於車輛的牽引電源和啟動能源,並且具有比傳統的化學電池更加廣泛的用途。正因為如此,世界各國(特別是西方發達國家)都不遺餘力地對超級電容器進行研究與開發。其中美國、日本和俄羅斯等國家不僅在研發生產上走在前面,而且還建立了專門的國家管理機構(如:美國的USABC、日本的SUN、俄羅斯的REVA等),制定國家發展計劃,由國家投入巨資和人力,積極推進。就超級電容器技術水平而言,俄羅斯走在世界前面,其產品已經進行商業化生產和應用,並被第17屆國際電動車年會(EVS—17)評為最先進產品,日本、德國、法國、英國、澳大利亞等國家也在急起直追,各國推廣應用超級電容器的領域已相當廣泛。在中國推廣使用超級電容器,能夠減少石油消耗,減輕對石油進口的依賴,有利於國家石油安全;有效地解決城市尾氣污染和鉛酸電池污染問題;有利於解決戰車的低溫啟動問題。如今,國內主要有10餘家企業在進行超級電容器的研發。

3工作原理

工作原理圖

  工作原理圖

超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時,與普通電容器一樣,極板的正電極存儲正電荷,負極板存儲負電荷,在超級電容器的兩極板上電荷產生的電場作用下,在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷,以平衡電解液的內電場,這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上,以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上,這個電荷分佈層叫做雙電層,因此電容量非常大。當兩極板間電勢低於電解液的氧化還原電極電位時,電解液界面上電荷不會脫離電解液,超級電容器為正常工作狀態(通常為3V以下),如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時,電解液將分解,為非正常狀態。由於隨著超級電容器放電 ,正、負極板上的電荷被外電路泄放,電解液的界面上的電荷響應減少。由此可以看出:超級電容器的充放電過程始終是物理過程,沒有化學反應。因此性能是穩定的,與利用化學反應的蓄電池是不同的。

4發展現狀

《2013-2017年 中國電容器行業產銷需求與投資預測分析報告》顯示,中國的信息產業已具備了向更高層次發展的基礎。隨著電子信息技術進一步向社會和經濟領域的全面滲透和越來越多的電子技術在走融合的道路,電子信息產品發展必然越來越快,市場進一步擴大,產品沿著一條從滿足一般需求到人性化需求,再到個性化要求的道路發展。
新產品和新功能的電子整機日新月異、產品的市場壽命越來越短,這對電子元件各個方面要求更高。且由於受世界經濟環境的影響,電容器產業面臨能源成本、材料成本、勞動力成本、環保成本的全面上漲,而產品銷售價格卻一再下降,整個行業的經營受到雙重壓力。所以電子元件產業要變強,必須做到企業創新、行業創新、產品創新,才能跟上電子信息整機發展的需要。
前瞻網表示,片式化、小型化、複合化、高精度化、高性能化、一致性好、可靠性高、零缺陷是當今世界電子元件的發展趨勢。為了適應這一趨勢,中國電容器小型化、片式化必須加快步伐。
隨著經濟全球化,世界電子信息整機製造企業紛紛在中國設廠,跨國公司在中國採購,再加上國內原有電子信息製造業的發展,這進一步擴大了中國電容器的消費市場。

5應用領域

車用超級電容器

  車用超級電容器

1、稅控機、稅控加油機、真空開關、智能表、遠程抄表系統、儀器儀錶、數碼相機、掌上電腦、電子門鎖、程式控制交換機、無繩電話等的時鐘晶元、靜態隨機存貯器、數據傳輸系統等微小電流供電的後備電源。
2、智能表(智能電錶、智能水表、智能煤氣表、智能熱量表)作電磁閥的啟動電源
3、太陽能警示燈,航標燈等太陽能產品中代替充電電池。
4、手搖發電手電筒等小型充電產品中代替充電電池。
5、電動玩具電動機、語音IC、LED發光器等小功率電器的驅動電源。
6.電動汽車 快速啟動
7.電力系統 電網改造 戶外開關
8.風力發電 海上風機

6特性

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,該材料的多孔結夠允許其面積達到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。 這種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。

7技術特性

超級電容器的技術特性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;
超級電容器的技術特性2. 循環使用壽命長,深度充放電循環使用次數可達 1~50 萬次;
超級電容器的技術特性3. 能量轉換效率高,過程損失小,大電流能量循環效率 ≥ 90% ;
超級電容器的技術特性4. 功率密度高,可達 300W/KG~5000W/KG ,相當於電池的 5~10 倍;
超級電容器的技術特性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; 超級電容器的技術特性6. 安全係數高,長期使用免維護;
超級電容器的技術特性7. 超低溫特性好,可工作於攝氏零下 30 ℃ 的環境中;
超級電容器的技術特性8. 檢測方便,剩餘電量可直接讀出。

8分類

按電解質類型
可以分為水性電解質和有機電解質類型:
水性電解質
1.酸性電解質,多採用36%的H2SO4水溶液作為電解質。
2.鹼性電解質,通常採用KOH、NaOH等強鹼作為電解質,水作為溶劑。
3.中性電解質,通常採用KCl、NaCl等鹽作為電解質,水作為溶劑,多用於氧化錳電極材料的電解液。
有機電解質
通常採用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質,有機溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑,電解質在溶劑中接近飽和溶解度。
優點
在很小的體積下達到法拉級的電容量;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成負面影響;從環保的角度考慮,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;
實例:
假設磁帶驅動的工作電壓5V,安全工作電壓3V。如果直流馬達要求0.5A保持2秒(可以安全工作),那麼,根據上公式可得其容量至少為0.5 F。
因為5V的電壓超過了單體電容器的標稱工作電壓。因而,可以將兩電容器串聯。如兩相同的電容器串聯的話,那每隻的電壓即是其標稱電壓2.5V。
如果我們選擇標稱容量是1F的電容器,兩串為0.5F。考慮到電容器-20%的容量偏差,這種選擇不能提供足夠的裕量。可以選擇標稱容量是1.5F的電容器,能提供1.5F/2=0.75F。考慮-20%的容量偏差,最小值1.2F/2=0.6F。這種超級電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈衝后,磁帶驅動轉入小電流工作模式,用超電容剩餘的能量。
在該實例中,均壓電路可以確保每隻單體不超其額定電壓。
實例:
GSM/GPRS無線數據機需要一每間隔4.6ms達2A的電流,該電流持續0.6 ms。這種數據機現用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器(PA)要求3.0V的最小電壓。對於筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下(最小3.0V),允許的壓降是0.6V。
選擇超級電容器(C:0.15F,AC ESR:0.200Ω,DC ESR:0.250Ω)。對於2A脈衝,電池提供大約1A,超電容提供剩餘的1A。根據上面的公式,由內阻引起的壓降:1A×0.25Ω=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內阻引起的壓降相比是小的。

結論

不管是功率保持還是功率脈衝應用都可以用上公式計算.當電路的工作電壓超過超電容的工作電壓時,可以用相同的電容器串聯.一般地,串聯應該保持平衡以確保電壓平均分配.在脈衝功率應用中由超電容內阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內阻提供一種克服傳統電池系統阻抗大的全新的解決方案。

9使用注意事項

1、超級電容器具有固定的極性。在使用前,應確認極性。
2、超級電容器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、超級電容器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、超級電容器的壽命:
外界環境溫度對於超級電容器的壽命有著重要的影響。電容器應盡量遠離熱源。
5、當超級電容器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。
不同領域的運用

  不同領域的運用

6、使用中環境氣體:
超級電容器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、超級電容器的存放:
超級電容器不能置於高溫、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,因為這樣會導致產品損壞。
8、超級電容器在雙麵線路板上的使用:
當超級電容器用於雙面電路板上,需要注意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時,不可將電容器殼體接觸到線路板上,不然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,這樣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、焊接后的清洗:
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、將電容器串聯使用時:
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。
14、其他:
在使用超級電容器的過程中出現的其他應用上的問題,請向生產廠家諮詢或參照超級電容器使用說明的相關技術資料執行。

10前景分析

從結構上看,超級電容器主要由電極、電解質、隔膜、端板、引線和封裝材料組成,其中電極、電解質和隔膜的組成和質量對超級電容器的性能起著決定性的影響,採用何種電極板和電解質材料將基本決定最終產品的類型與特性。
2007年1月16日,美國得克薩斯州一家研製電動汽車儲能裝置,名為EEStor的公司打破沉默,對外宣告了他們「里程碑」式的成果:他們的自動生產線已經由獨立的第三方分析驗收,其產品的關鍵物質鋇鈦酸鹽粉末已經完成了最初的純化,純度達到了99.9994%。
這一技術一旦進入成熟的工業生產,他們所研製的新型超級電容器動力系統將替代包括從電動汽車到筆記本電腦的一切電化學電池。按照2006年4月發表的專利,EEStor這種能量存儲裝置是用陶瓷粉末塗在鋁氧化物和玻璃的表面。從技術上說,它並不是電池,而是一種超級電容器,它在5分鐘內充的電能可以讓一個
超級電容器

  超級電容器

電動車走500英里,電費只有9美元。而燒汽油的內燃機車走相同里程則要花費60美元。
與傳統的電化學電池相比,超級電容器有很多好處。它可以無限制地接受無數次放電和充電,,超級電容器沒有「記憶」。但是,一般的超級電容器也有其弱點,就是能量存儲率有限,市場上的高端超級電容器每0.4536千克的存儲能量只有鋰電池的1/25。
而EEStor開發的超級電容器,由於鋇鈦酸鹽有足夠的純度,存儲能量的能力大大提高。EEStor公司負責人聲稱,該超級電容器每公斤所存儲的能量可達0.28千瓦時,相比之下,每公斤鋰電池是0.12千瓦時,鉛酸電池只有0.032千瓦時,這就讓超級電容器有了可用在從電動車、起搏器到現代化武器等多種領域的可能。好的鉛酸電池能充電500~700次,而根據EEStor的聲明,新的超級電容器可反覆充電100萬次以上,也不會出現材料降解問題。而且,由於它不是化學電池,而是一種固體狀態的能量儲存系統,不會出現鋰電池那種過熱甚至爆炸的危險,沒有安全隱患。
這一發明的意義相當重大,該突破不僅從根本上改變了電動車在交通運輸中的位置,也將改進諸如風能、太陽能等間歇性能源的利用性能,增進了電網的效率和穩定性,滿足人們能源安全的需求,減少對石油的依賴。顯然,該突破也對下一代鋰電池的研製者造成威脅。EEStor公司負責人暗示,他們的技術不僅適用於小型旅客電動車,還可能取代220500瓦的大型汽車。
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