新世紀突破性電源超級電容器風(fēng)行世界
加入技術(shù)交流群
超級電容器自面市以來(lái)，全球需求量快速擴大，已成為化學(xué)電源領(lǐng)域內新的產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)。超級電容器在電動(dòng)汽車(chē)、混合燃料汽車(chē)、特殊載重汽車(chē)、電力、鐵路、通訊、國防、消費性電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著(zhù)巨大的應用價(jià)值和市場(chǎng)潛力，被世界各國所廣泛關(guān)注。
世界著(zhù)名科技期刊美國《探索》雜志2007年1月號，將超級電容器列為2006年世界七大科技發(fā)現之一，認為超級電容器是能量?jì)Υ骖I(lǐng)域的一項革命性發(fā)展，并將在某些領(lǐng)域取代傳統蓄電池。
一、超級電容器工作機理與潛在優(yōu)勢
超級電容之所以有巨大的電容量，是由于電容是以將電荷分割開(kāi)來(lái)的方式儲存能量的。儲存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容量越大。超級電容是從多孔碳基電極材料得到其儲存電荷面積的，這種材料的多孔結構使它每克重量的表面積可達2000平方米。而超級電容中電荷分隔的距離是由電解質(zhì)中的離子大小決定的，其值小于10埃。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級電容有很大的電容量。一個(gè)超級電容單位的電容值，可以從一法拉至幾千法拉。
超級電容作為一種新型儲能裝置，具有超級儲電能力。在儲能機理上，它是高度可逆的，壽命很長(cháng)，可以千萬(wàn)次反復地沖、放電，而且具有很大的電流，此外具有很寬的電壓范圍和工作溫度范圍。它兼具傳統電容器的大電流快速充放電特性與電池的儲能特性，填補了普通電容器與電池之間的比能量與比功率空白，其放電比功率較蓄電池高近十倍，彌補了鋁電解電容和可充電電池之間的技術(shù)缺口，同時(shí)又克服了兩者的缺陷，既具有電池的能量貯存特性，又具有電容器的功率特性，它比傳統電解電容器的能量密度高上千倍，可達1000W/kg數量級，而漏電流小數千倍。具有高至數千法拉甚至上萬(wàn)法拉的超大電容量，儲電能量大、時(shí)間長(cháng)；能夠瞬間釋放數百至數千安培電流，大電流放電甚至短路也不會(huì )對其有任何影響；可充放電10萬(wàn)次以上而不需要任何維護和保養，壽命長(cháng)達十年以上?？捎糜谝詷O大電流瞬間放電的工作狀態(tài)，而不易產(chǎn)生發(fā)熱著(zhù)火等現象；且充電時(shí)間很短，可在幾秒之內完成，是一種理想的大功率二次電源。它可在極低溫等極端惡劣的環(huán)境中使用，并且無(wú)環(huán)境污染。具有安全可靠、適用范圍寬、綠色環(huán)保、易維護等特點(diǎn)，是改善和解決電能動(dòng)力應用的突破性元器件。
超級電容電阻很?。翰扇√貏e工藝措施，保證其ESR（等效串聯(lián)電阻）遠遠小于其它電容的ESR。具有動(dòng)力儲存性能的超級電容很小的ESR，意味著(zhù)高速率充放電情況下有很大的功率儲存能力。
超級電容壽命超長(cháng)：超級電容可以有成千上萬(wàn)次沖放電循環(huán)，而蓄電池只有幾百次循環(huán)。超級電容可以頻繁地釋放能量脈沖而不會(huì )有有害的后果，但蓄電池如果頻繁地釋放能量脈沖就會(huì )降低壽命。
超級電容安全可靠：在其額定電壓范圍內可以任意充電至任意電壓值，而放電時(shí)可以放出所儲存的全部能量，失效開(kāi)路，過(guò)電壓不擊穿，安全可靠。
超級電容儲能巨大：與同樣大小的傳統電容相比，超級電容所儲存的電能遠遠大于傳統電容所儲存的電能。
超級電容充電快速：可以快速充電和大電流充電，10秒鐘內達到額定容量的95%；充電時(shí)間短；充放電能力強；對充放電電路要求簡(jiǎn)單。
二、新材料催生高端新產(chǎn)品
從結構上看，超級電容器主要由電極、電解質(zhì)、隔膜、端板、引線(xiàn)和封裝材料組成，其中電極、電解質(zhì)和隔膜的組成和質(zhì)量對超級電容器的性能起著(zhù)決定性的影響，采用何種電極板和電解質(zhì)材料將基本決定最終產(chǎn)品的類(lèi)型與特性。
2007年1月16日，美國得州一家研制電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)由獨立的第三方分析驗收，其產(chǎn)品的關(guān)鍵物質(zhì)鋇鈦酸鹽粉末已經(jīng)完成了最初的純化，純度達到了99.9994%。
這一技術(shù)一旦進(jìn)入成熟的工業(yè)生產(chǎn)，他們所研制的新型超級電容器動(dòng)力系統將替代包括從電動(dòng)汽車(chē)到筆記本電腦的一切電化學(xué)電池。
人們最初懷疑EEStor公司這一揚言的可信度，但現在看來(lái)，他們還真不太像是在“吹?！?。
按照2006年4月發(fā)表的專(zhuān)利，EEStor這種能量存儲裝置是用陶瓷粉末涂在鋁氧化物和玻璃的表面。從技術(shù)上說(shuō)，它并不是電池，而是一種超級電容器，它在5分鐘內充的電能可以讓一個(gè)電動(dòng)車(chē)走500英里，電費只有9美元。而燒汽油的內燃機車(chē)走相同里程則要花費60美元。
與傳統的電化學(xué)電池相比，超級電容器有很多好處。它可以無(wú)限制地接受無(wú)數次放電和充電，換句話(huà)說(shuō)，超級電容器沒(méi)有“記憶”。但是，一般的超級電容器也有其弱點(diǎn)，就是能量存儲率有限，今天市場(chǎng)上的高端超級電容器每磅的存儲能量只有鋰電池的1/25。
而EEStor開(kāi)發(fā)的超級電容器，由于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(chēng)，該超級電容器每公斤所存儲的能量可達0.28千瓦時(shí)，相比之下，每公斤鋰電池是0.12千瓦時(shí)，鉛酸電池只有0.032千瓦時(shí)，這就讓超級電容器有了可用在從電動(dòng)車(chē)、起搏器到現代化武器等多種領(lǐng)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復充電100萬(wàn)次以上，也不會(huì )出現材料降解問(wèn)題。而且，由于它不是化學(xué)電池，而是一種固體狀態(tài)的能量?jì)Υ嫦到y，不會(huì )出現鋰電池那種過(guò)熱甚至爆炸的危險，沒(méi)有安全隱患。
早在2004年5月，EEStor公司就聲稱(chēng)，他們已經(jīng)制造出一種每千瓦時(shí)的成本價(jià)格是鉛酸電池的一半、能量?jì)Υ媛适倾U酸電池10倍的超級電容器。這種產(chǎn)品重約336磅(153公斤)，可以?xún)Υ?2千瓦時(shí)的能量，這種系統將戲劇性地從能量密度、價(jià)格到充電時(shí)間和安全性上都超過(guò)目前市場(chǎng)的鋰電池。這種技術(shù)是以鋇鈦酸鹽為電介質(zhì)的一個(gè)基本平行板電容器，制造這種陶瓷電池-超級電容器技術(shù)系統不需要有毒材料和化學(xué)物質(zhì)。
EEStor的雄心來(lái)自其“替代電氣化學(xué)電池”的專(zhuān)利。EEStor在2004年就開(kāi)始計劃建造自己的裝配線(xiàn)，進(jìn)而獲得批量生產(chǎn)的技術(shù)許可。從他們的計劃看，其裝置在生產(chǎn)成本上也有可能比傳統鋰電池更具有優(yōu)勢。
有評論說(shuō)，這一發(fā)明的意義相當重大，該突破不僅從根本上改變了電動(dòng)車(chē)在交通運輸中的位置，也將改進(jìn)諸如風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源的利用性能，增進(jìn)了電網(wǎng)的效率和穩定性，滿(mǎn)足人們能源安全的需求，減少對石油的依賴(lài)。
顯然，該突破也對下一代鋰電池的研制者造成威脅。EEStor公司負責人暗示，他們的技術(shù)不僅適用于小型旅客電動(dòng)車(chē)，還可能取代300馬力的大型汽車(chē)。
三、國內外研發(fā)態(tài)勢
目前全球已有上千家超級電容器生產(chǎn)商,可以提供多種類(lèi)的超級電容器產(chǎn)品,但大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結構。
超級電容器在結構上與電解電容器非常相似,它們的主要區別在于電極材料。早期的超級電容器的電極采用碳,碳電極材料的表面積很大,電容的大小取決于表面積和電極的距離,這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離,使超級電容器的容值可以非常大,大多數超級電容器可以做到法拉級,一般情況下容值范圍可達1-5000F。
超級電容器也可以分為兩類(lèi):一類(lèi)以活性炭材料為電極,以電極雙電層電容的機制儲存電荷,通常被稱(chēng)作雙電層電容器(DLC)；另一類(lèi)以二氧化釕或者導體聚合物等材料為陽(yáng)極,以氧化還原反應的機制存儲電荷,通常被稱(chēng)作電化學(xué)電容器。
超級電容器根據制造工藝和外形結構可劃分為鈕扣型、卷繞型和大型三種類(lèi)型,三者在容量上大致歸類(lèi)為5F以下、5-200F、200F以上。鈕扣型產(chǎn)品具備小電流長(cháng)時(shí)間放電的性能,可用在小功率電子產(chǎn)品及電動(dòng)玩具產(chǎn)品中做電源,或在帶時(shí)鐘的產(chǎn)品應用上進(jìn)行數據存儲,如錄音機、MP3、家用電器、汽車(chē)音響等。而卷繞型和大型產(chǎn)品則多用于大電流短時(shí)放電,在有記憶儲存功能的電子產(chǎn)品中做后備電源,注重數據保護和備份,適用于帶CPU的智能家電、工控和通訊領(lǐng)域中的存儲備份部件。
超級電容器按電極結構可分為以下三類(lèi)：
1、碳-碳雙極板對稱(chēng)結構超級電容器
正負電極采用了超大比表面積材料，這種超級電容器儲能方式屬于靜電儲能，能量?jì)Υ媾c釋放不涉及伴隨質(zhì)量轉移的氧化還原過(guò)程，能量?jì)Υ媾c釋放速度很快，時(shí)間常數小，充放電次數可達到50萬(wàn)次，該類(lèi)電容器目前主要應用于瞬時(shí)高功率輔助。
2、過(guò)渡金屬氧化物超級電容器
電極反應是以快速法拉第氧化還原反應為基礎，絕大多數電荷轉移發(fā)生在固體電極的表面或表面附近的薄層內。儲存容量通常比雙電層材料大很多，其能量密度較高，此類(lèi)超級電容器目前還處在實(shí)驗室開(kāi)發(fā)階段，作為電極材料的各種過(guò)渡金屬氧化物和聚合物制作工藝及最佳特性還在摸索過(guò)程中。
超級電容器相關(guān)文章:超級電容器原理
電化學(xué)工作站相關(guān)文章:電化學(xué)工作站原理
評論