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超級電容 

 
所屬類別: 其他
超級電容器(Supercapacitors,ultracapacitor),又名電化學電容器(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復充放電數十萬次。其基本原理和其他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、迴圈壽命長、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。
 
基本資訊
中文名稱
超級電容
 
外文名稱
super capacitor
目錄
1簡介
2市場狀況
3使用注意
4汽車應用
5前景分析
6新材料
折疊編輯本段簡介
 
超級電容器(Supercapa
超級電容
超級電容
citors),又名電化學電容器(Electrochemical Capacitors),是上世紀七、八十年代發展起來的一種新型的儲能裝置。它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,因而不同于傳統的化學電源。超級電容器的突出優點是功率密度高、充放電時間短、迴圈壽命長、工作溫度範圍寬。
 
折疊特點
 
(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)迴圈使用壽命長,深度充放電迴圈使用次數可達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,大電流能量迴圈效率≥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 。
 
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
 
類比
 
電瓶(蓄電池)12伏14安時的放電量=14*3600*12=604800 法拉(F),(注: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
 
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!
 
補充
 
◆超級電容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、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復充放電數十萬次。
 
◆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。(見圖1)
 
一、超級電容器為何不同于傳統電容器其"超級"在哪?
 
◆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,導體材料卷制得很長,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,一般為塑膠薄膜、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。
 
二、超級電容器有哪些優點和缺點?
 
1、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;
 
2、缺點
 
◆如果使用不當會造成電解質洩漏等現象;
 
◆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;
 
三、超級電容器都有哪些應用?
 
◆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。
 
◆暫態功率脈衝應用,重要存儲、記憶系統的短時間功率支援。
 
四、應用舉例
 
1、快速充電應用,幾秒鐘充電,幾分鐘放電。例如電動工具、電動玩具;
 
2、在UPS系統中,超級電容器提供暫態功率輸出,作為發動機或其他不間斷系統的備用電源的補充;
 
3、應用於能量充足,功率匱乏的能源,如太陽能;
 
4、當公共汽車從一種動力源切換到另一動力源時的功率支援;
 
5、小電流,長時間持續放電,例如電腦記憶體後備電源;
 
五、我可以多快給超級電容器放電?
 
◆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,反復地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高,最終導致斷路。
 
六、我怎麼樣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)
 
七、超級電容器比電池更好?
 
◆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記憶體件尺寸的應用中,超級電容器是一種更好的途徑。
 
◆超級電容器可以反復傳輸能量脈衝而無任何不利影響,相反如果電池反復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。
 
◆超級電容器可以反復迴圈數十萬次,而電池壽命僅幾百個迴圈。
 
八、如何選擇我所需的超級電容器?
 
◆首先,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。兩部分誰占主要取決於時間,在非常快的脈衝中,內阻部分占主要的,相反在長時間放電中,容性部分占主要。
 
◆以下基本參數決定您選擇電容器的大小
 
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
 
折疊超級電容器與蓄電池性能比較
 
蓄電池的不足
 
電動汽車動力源蓄電池在加速或爬坡時要進行大電流放電;減速或下坡時要快速充電實現制動能量回收,要求蓄電池具有優良的倍率、快速充放電特性和使用壽命長且性能穩定。而對蓄電池實行大電流充放電將使其壽命大大縮短。同時由於電動汽車放置蓄電池的空間有限,佈置非常緊湊,熱量易積累,使得蓄電池暴露在高溫環境中造成高溫失效。
 
儘管針對電動汽車所使用的鉛酸蓄電池做了許多改進,但是其在高溫時性能惡化快、壽命短、充放電效率低已經成為電動汽車發展的難題之一。
 
超級電容器的優勢
 
超級電容器也稱電化學電容器,因其存儲能量大,品質輕,可多次充放電而成為一種新型的儲能裝置。超級電容器有以下優勢。
 
1.電容量大。超級電容器採用活性炭粉與活性碳纖維作為可極化電極,與電解液接觸的面積大大增加。根據電容量的計算公式,兩極板的表面積越大,則電容量越大。因此,一般雙電層電容器的容量很容易超過IF,它的出現使普通電容器的容量範圍驟然躍升了3~4 個數量級。
 
2.充放電壽命很長。超級電容器充放電壽命可達500000次或90000h,而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次;超級電容器可以提供很高的放電電流,一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流,一些高放電電流的蓄電池在如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。
 
3.快速充放電。可以從數十秒到數分鐘內快速充電,而蓄電池在如此短的時間內充滿電將是極危險的或是幾乎不可能的。
 
4.很寬的工作溫度範圍。蓄電池很難在高低溫,特別是低溫環境下工作;超級電容器用的材料是安全和無毒的,而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池均具有毒性。
 
5. 超級電容器可以任意並聯使用來增加電容量,如採取均壓措施後,還可以串聯使用。
 
儘管有在能量存儲上的優勢,但超級電容器還是不能和電化學蓄電池相比,即使是鉛酸蓄電池也能比超級電容器多存儲10倍以上的能量。[2]
 
折疊編輯本段市場狀況
 
超級電容器產品雖然問世不久,但由於它具有特殊的優點,已在許多領域中獲得了應用,其前景可以認為是非常廣闊。2010年上海世博會中穩定運營的36輛超級電容客車更是吸引了眾多觀光者的眼球。超級電容車一旦展開普及,市場會大的超出想像。
 
國內從事大容量超級電容器研發的廠家共有50多家,然而,能夠批量生產並達到實用化水準的廠家不到20家。國內廠商大多生產液體雙電層電容器,重要企業有錦州凱美能源(原錦州富辰、錦州錦容)、北京集星電子、北京海峰時代科技,北京合眾匯能科技,朝陽博艾格,上海奧威等十多家。錦州凱美能源是國內最大的超級電容器專業生產廠,主要生產紐扣型和捲繞型超級電容器。北京集星可生產捲繞型和大型電容器,而上海奧威產品多集中在車用超級電容器上。
 
從各廠商的產品來看,核心企業間的競爭並不直接,因為沒有完全重複的,競爭也只是局限於一個領域範圍內的。預計2010-2010年各企業之間仍將有良好的合作,市場格局不會發生大的變化。上海奧威、凱美、集星電子等幾家企業仍將佔據國內市場絕大的份額,細分市場上各企業的競爭優勢將更加明顯。總得來說,市場競爭不會太激烈。
 
基於中國消費電子近年來的驚人增長表現,預計今後幾年內,我國紐扣型超級電容器有望保持30%以上的平均增長率,捲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。到2013年,我國超級電容器的整體產業規模有望達到79億元。
 
折疊編輯本段使用注意
 
1、超級電容器具有固定的極性。在使用前,應確認極性。[1]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于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。電容器應儘量遠離熱源。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。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、超級電容器在雙面線路板上的使用: 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、安裝超級電容器後,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、焊接後的清洗: 在電容器經過焊接後,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援。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
 
折疊超級電容的工作原理
 
電化學電容根據儲能機理的不同可以分為兩類:
 
1)雙電層電容:是在電極/溶液介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介面上形成雙電層。當在兩個電極上施加電場後,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;撤銷電場後,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。
 
2)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/溶液介面時,會通過介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。
 
串聯
 
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,這樣就會導致串聯回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,也是超級電容使用最需要注意的問題。
 
折疊編輯本段汽車應用
 
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,一輛電動汽車的峰值功率與平均功率之比可達到16:1.事實上,電動汽車在行駛中用於加速和爬坡時所消耗的能量占總能耗的2/3。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迴圈壽命之間做出平衡,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,也可以在電動汽車刹車或下坡時回收可再生的動能,選用超級電容做輔助能。
 
1、超級電容的特點
 
在短期內,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,但是用超級電容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。電動汽車可以集中於對比能量和迴圈壽命問題的考慮,而不必過多地考慮比功率問題。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。
 
2、超級電容應用技術
 
電池的輸出量應與車輛平均行駛功率需求相當,而超級電容應出書高於平均功率需求的功率並且可吸收再生能量。當電動汽車的實際行駛功率需求高於超級電容的醉倒功率時,多餘部分由電池提供。超級電容由再生能量為其充電,若沒有充足電,剩餘部分由主電池在電動汽車低功率行駛時進行補充。當超級電容充滿詩,再生制動能量為主電池充電,在主電池和超級電容之間採用兩象限DC-DC變換器控制功率分配,並限制主電池在車輛低功率行駛時對超級電容的充電率。若沒有DC-DC變換器,則主電池和超級電容將具有相同的電壓,導致超級電容盡在電池電壓發生快速變化。
 
3、超級電容研究進展
 
根據美國能源部對電動汽車用超級電容提出的目標,比能量和比功率應分別達到5 W·h/kg 和500 W·h/kg,最好分別超過15 W·h/kg進而1 600 W·h/kg。目前,還沒有滿足該性能指標的超級電容,但一些公司已經開始積極地研發電動汽車用超級電容。
 
Maxwell科技公司宣稱,他們生產的功率記憶體PC7223 超級電容具有目前最高的電容量(2 700F@2.3V),並已經進入批量化生產,該電容器的比能量和比功率分別為2.48 W/kg 和732 W·h/kg。使用287個PC7223 電容量串聯得到的56@95F超級電容器可儲能150 KJ,同時可提供1.12 W·h/kg的比能量和330 w/kg 的比功率。Panasonic 也成功成差一系列電容器。
 
折疊編輯本段前景分析
 
超級電容器在新能源領域並不是一個陌生的名詞。實際上,超級電容器已在該領域歷經了幾十年的坎坷,雖然它的應用形式同電池不同,但在實際應用上卻總被電池取代,此外還面臨成本高、技術難度大的劣勢。然而,超級電容器在技術上一旦取得突破,將可對新能源產業的發展產生極大的推動力。因此,儘管研發過程困難重重,但攻克它的意義卻很重大。[2]
 
超級電容器的尷尬現狀
 
超級電容器從誕生到現在,已經歷了三十多年的發展歷程。目前,微型超級電容器在小型機械設備上得到廣泛應用,例如電腦記憶體系統、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,並可預見在該兩大領域的未來市場上,超級電容器有著巨大的發展潛力。
 
超級電容器“全家福”
 
使用壽命久、環境適應力強、高充放電效率、高能量密度,這是超級電容器的四大顯著特點,這也使它成為當今世界最值得研究的課題之一。目前,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準來看,亞洲暫時領先。
 
然而,超級電容器的研發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因為可以獲得來自政府和大投資商的巨額資金支援,技術交流獲得極大推動,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,技術的進步和發展也就受到很大程度地制約。另外,超級電容器成本高、能量密度低的現狀也與鋰電池形成鮮明對比,這使它在很多領域備受冷落。
 
先驅EEStor公司勇於挑戰卻慘遭敗北 
 
儘管超級電容器已發展多年,但實際生產廠家的數量卻少得可憐。一部分廠商面對超級電容器技術上發育不完全的現狀,不敢輕易投資,採取觀望策略,期待市場能出現一個涉足此領域並獲得成功的例子。另外一部分廠商則堅信,只要超級電容器的生產成本實現大幅下降,僅以當前它的快速充放電特性,就可實現快速普及。美國超級電容器生產商EEStor就屬於後者。
 
上世紀90年代,美國超級電容器生產商EEStor為改變超級電容器的市場現狀,曾用好幾年的時間將大量財力物力投向如何提高超級電容能量密度的研發上,期望能通過自身技術讓超級電容器在生產和應用方面上升到一個新的臺階。
 
當時,EEStor爭取到了巨額的研發資金,還與電動汽車電機提供商ZENN公司達成了戰略合作。然而,多名參與此項研究的科學家最後得出了令人遺憾的結論:我們很想打破超級電容器的市場僵局,但現有技術無法實現這一目標。世界超級電容器先驅之一——EEStor,在領域內建立的里程碑式研發專案最終以失敗告終。
 
超級電容與電池拉平差距的機會 
 
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援也將起到至關重要的作用。
 
超級電容器的可預見性未來
 
毋庸置疑,超級電容器憑藉自身使用壽命久、高充放電效率等顯著特點,只要找准自身發展的合適土壤,未來發展潛力巨大。
 
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,其中,用於裝配在啟停系統車輛的超級電容器,將成為其在未來的主要銷售管道,預計在2016年的全球市場將達到2.7億美元,2020年將超過3.5億美元
 
2011-2016超級電容器在啟停系統汽車和能量存儲方面銷售額
 
在運輸行業中,新能源汽車工業已成為當今最熱門的話題之一。作為汽車領域的高新技術,新能源汽車要盡可能保持同傳統汽車相同的性能,還要減少對石油等有限資源的使用量,這是其問世的根本目標。要實現這一目標,必然需要用於儲存能量的借助輔助設施來實現,而超級電容器就是其中一個重要的組成部分。
 
今天,全世界各行各業都在享受自然能源發電帶來的益處。未來,自然能源應用市場巨大,其中,輔助設施必然是這一市場中的一個集市,交易金額將高達51億美元。超級電容器就是這個集市上的一類重要商品。
 
1. 超級電容器和節能與新能源汽車
 
在汽車工業中,智慧啟停控制系統(輕型混合動力系統)的應用為超級電容器提供了廣闊的舞臺,充分體現出超級電容器性能上的優越性,其中在插電式混合動力汽車上的表現尤為突出。
 
這裏,想補充說明一下汽車智慧啟停控制系統的工作原理,大致如下:
 
1.當汽車在減速或短停車時,智慧啟停控制系統可暫停發動機轉動,並將制動過程中產生的熱能轉換成電能儲存在電容器裏;
 
2.當汽車再次前進時,電容器則將剛剛儲存起來的電能瞬間輸出給智慧啟停控制系統中的電機,電機轉動傳送帶,直接帶動發動機工作;
 
這樣,整個啟停過程,汽車沒有油耗,既經濟又環保。其中,能夠實現快速充放電的儲能設備就是關鍵。因此,具有此特性的超級電容器成為最佳選擇,也是智慧啟停控制系統最重要的組成部分。
 
汽車智慧啟停控制系統工作原理圖
 
2011-2015智能啟停車輛年銷售量
 
然而,當前的混合動力汽車、插電式混合動力汽車以及燃料電池汽車都配備了用來儲存能量的電池,因此,超級電容技術想介入新能源汽車領域,還需要一段很長的發展過程。從目前來看,超級電容器可扮演輔助主動力電池的角色,既可起到緩衝作用,又可延長主動力電池的壽命,同時還可增強充放電效果。但是,造價高和能量密度低的劣勢讓這一輔助設備的開發無法順利進行。儘管汽車製造商們明白超級電容器在能量領域裏有極高的發展潛力,但目前還無法脫離對鎳氫電池和鋰電池的依賴。
 
如果政府將尾氣排放列為需優先解決的問題,並提供資金支援,在一定程度上能夠推動部分廠商參與超級電容器的研發。
 
2. 超級電容器涉及的其他領域
 
在自然能源採集領域裏,風力發電目前的工作流程還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就是通過液壓系統或電池來提供的(限於篇幅,液壓系統相關知識不會出現在本報告中)。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,工程師們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,迴圈壽命長的特點,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。可就現實而言,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。不過,未來超級電容器將被廣泛應用的事實是不容置疑的。
 
超級電容器在汽車之外其他方面的應用
 
不同種類和尺寸的超級電容器可在不同領域發揮作用。大尺寸超級電容器(125伏)可用在火車和地鐵的刹車制動系統上,亦可為物料搬運工程車提供能量輸出;由於具備可在高溫下工作的特性,中等尺寸超級電容器(75伏)可用在太陽能能量收集方面;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記憶體系統儲存後備電源等有極大貢獻。
 
2.5-2.7V超級電容器
 
用於汽車的48V超級電容器
 
125V大功率超級電容器
 
通過超級電容器在上述設備上的應用,不難看出其在能量存儲方面同電池以及其他儲能設備還是具有可比性的。因此,在“次級”市場的銷售方面,預計超級電容器2013年銷售額可以達到500萬美元,2016年則可增加到1500萬美元。
 
工程師們致力開發“超級電池” 
 
電池與超級電容器各有利弊,為了集兩者的優點于一身,工程師們試圖發明兩者的混合體--“超級電池”(battery-ultracapacitor)。超級電池的主要特點為:低成本、高能量密度、高能量存儲、迴圈使用壽命長、環境適應能力強。而工程師們的首要任務是要攻克高能量密度這一關口,因為一旦解決了能量密度這一難題,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。
 
將理想中的超級電池呈現給世人,這個過程必然是漫長的。但是,一些公司已經加入到研發這項技術的隊伍中,並且已經生產出了超級電池的雛形。雖然起步階段的超級電池迴圈壽命短、能量密度低,但相比超級電容器坎坷的成長經歷,超級電池的未來要明朗得多。
 
美國加州大學洛杉磯分校的研究人員2013年3月宣佈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燒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。
 
折疊編輯本段新材料
 
澳大利亞國立大學1日發佈消息說,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、國防及航空航太等領域具有很高應用價值。[1]
流覽人數:351發佈時間:2017-09-09
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