鋰電聯(lián)盟會長,專注鋰電十年 只分享干貨! 超級電容器是一種新型的電化學(xué)儲能裝置,其儲能過程高度可逆。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn): 超級電容器具有法拉級的大容量,其功率密度遠大于普通電池的功率密度,并且兼具充放電效率高、綠色環(huán)保、無需維護等特點。正是由于超級電容器具備的這些特點,使得人們一再重視并不斷研究如何提高超級電容器性能的課題。
但是,與普通電池相比,超級電容器的能量密度遠低于普通電池,這一原因在一定程度上限制了超級電容器的發(fā)展。如何增大超級電容器的比容量,成為發(fā)展超級電容器面臨的難題之一。有學(xué)者提出: 普通電池具有很大的比容量,將超級電容器與普通電池結(jié)合起來使用,充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點,揚其長避其短,是未來儲能器件的發(fā)展方向之一。
一、超級電容器的概述
1.1 超級電容器的基本概念
超級電容器是一類類似于蓄電池而又有一定程度差別的儲能裝置。它是一種介于普通電池和普通電容器之間的電化學(xué)元件,能量的儲存主要是通過極化電解質(zhì)。其儲能過程不僅高度可逆,而且是物理變化過程。因此,超級電容器既能夠反復(fù)充放電,又不會對比電容產(chǎn)生任何影響。
1.2 超級電容器的儲能原理
按照儲能原理機制,超級電容器分為以下兩類: 雙電層電容和準(zhǔn)電容( 又稱法拉第贗電容) 。
(1)雙電層電容。雙電層電容器儲存能量的途徑,主要是通過電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙層。所謂界面雙層,是指在雙電層電容器中電極與電解液相互接觸,在庫倫力、分子及原子間作用力的相互影響下,固液界面上出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的雙層電荷。a.充電過程: 在兩電極上施加電場,在電場的作用下,電解液中的陰陽離子分別向正負(fù)兩極移動,從而形成雙電層; 撤去電場后,利用同種電荷相互排斥異種電荷相互吸引的性質(zhì),實現(xiàn)雙電層的穩(wěn)定,產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢差。b.放電過程: 將電極與外電路連通,在電勢差的作用下,電子發(fā)生定向移動形成外電流。此時吸附在電極表面上的陰陽離子回到電解液本體,雙電層解體。
(2)準(zhǔn)電容。準(zhǔn)電容器主要是指在電極材料表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間上,電活性物質(zhì)進行欠電位沉積,發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng),產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于反應(yīng)在整個體相中進行,因而這種體系可實現(xiàn)的電容較大。a.充電過程: 將電極與外電路連通,在外電場的作用下,電極或溶液表面聚集大量的陰陽離子,通過氧化還原反應(yīng),這些離子進入到電極表面活性氧化物的體相中,從而實現(xiàn)電荷的儲存。b.放電過程: 進入氧化物中的離子通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中,同時將所存儲的電荷通過外電路釋放出來。
1.3 超級電容器的分類
對于超級電容器而言,可從不同方面對其進行分類,具體分類如下:
(1)從儲能原理方面,可分為雙電層電容器、準(zhǔn)電容器和混合型電容器?;旌闲碗娙萜鹘鉀Q了蓄電池的功率密度低和超級電容器能量密度較低的缺點,而且不必借助串聯(lián)結(jié)構(gòu),混合型超級電容器就能滿足工作電壓的需求。
(2)從電極材料方面,可分為碳電極電容器、導(dǎo)電聚合物電容器和貴金屬氧化物電極電容器。其中由于活性炭的成本較低、比表面積高、容量大等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。
(3)從電極上的反應(yīng)情況及結(jié)構(gòu)方面,可分為對稱型和非對稱型超級電容器。對稱型超級電容器的特點是電極組成相同、反應(yīng)相同、反應(yīng)方向相反; 非對稱型超級電容器的特點是電極組成不同、反應(yīng)不同。
二、超級電容器的特點
2.1 超級電容器的優(yōu)點
相對于其它儲能裝置而言,超級電容器主要有以下幾點優(yōu)勢:
(1)高比功率: 超級電容器的功率密度是普通電池的10-100 倍。
(2)使用壽命長、充放電效率高: 超級電容器的充放電過程是物理變化,理論上可充放電數(shù)十萬次乃至無窮大,而且能夠迅速充放電。
(3)作用溫度范圍寬: 在超級電容器的充放電過程中,電荷的轉(zhuǎn)移主要是在電極活性物質(zhì)表面進行,隨溫度的變化其容量不會發(fā)生較大的變化,在-40-70 攝氏度的環(huán)境下均能正常工作。
(4)可靠性高: 久置不用,普通電池和超級電容器都會發(fā)生電壓降低的現(xiàn)象,對它們進行充電便可使電壓復(fù)原。與普通電池不同的是,超級電容器的容量性能不會因此受到任何影響。
(5)綠色環(huán)保、無污染: 超級電容器在生產(chǎn)、裝備、工作過程中不會產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì),并且線路簡單,可以直接讀出剩余電量,檢測方便。
2.2 超級電容器的缺點
(1)能量密度低: 相較于普通電池,超級電容器的能量密度遠低于普通電池的能量密度。
(2)耐壓較低: 單體電壓低,受制于超級電容器的電解溶液的分解電壓。
(3)成本高,和鋁電解電容器相比,超級電容器的內(nèi)阻較大,不可以用于交流電路。
2.3 超級電容器與其他儲能裝置的比較
超級電容器在一定程度上彌補了普通電容器和普通電池的空白。如下表所示: 超級電容器的比功率遠高于普通電池,與普通電池相比,超級電容器的充電時間極短,可迅速充放電,其充放電效率高于普通電池很多,并且超級電容器的使用壽命長。
幾種電化學(xué)元件的性能比較表
三、超級電容器的主要應(yīng)用領(lǐng)域
3.1 運輸方面
超級電容器在運輸方面主要應(yīng)用于電動汽車和混合動力汽車領(lǐng)域。電動汽車和混合動力汽車對動力能源的要求較高,蓄電池受其自身的功率輸出、壽命、充放電效率等方面的限制,無法在最大程度上滿足機車的需求。而超級電容器-蓄電池組能夠提高機車的啟動性,在一定程度上能很好地滿足機動車在啟動、加速、爬坡時對功率的要求,并且在溫度較低的條件下,能夠正常啟動且一次性啟動。為盡量減少大電流充放電對電池造成的負(fù)面影響,需要超級電容器與動力電池的相互配合,從而延長電池壽命。與此同時,超級電容器還能夠通過再生制動系統(tǒng)將瞬間能量收回,提高能量利用率。
3.2 消費電子方面
超級電容器具有在短時間內(nèi)能夠迅速完成充電、提供瞬時大電流的特點,可以在系統(tǒng)電壓突然降低的情況下,充當(dāng)后備電源的作用。例如主電源突然發(fā)生中斷、接觸不良或負(fù)載過大等,超級電容器可以避免由于突然斷電對用電器產(chǎn)生的不良影響。
3.3 可再生能源發(fā)電/分布式電力系統(tǒng)
超級電容具有高比功率、使用壽命長、儲能效率高、無須維護等特點,在可再生能源發(fā)電或分布式電力系統(tǒng)領(lǐng)域中,可以彌補發(fā)電設(shè)備輸出功率的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性的劣勢。在高壓開關(guān)站及變電站硅整流分合閘裝置領(lǐng)域中,由于超級電容器能夠有效地解決傳統(tǒng)電解電容器儲能低及漏電流大造成的分合閘裝置可靠性差等問題,傳統(tǒng)電解電容器逐漸被超級電容器替代。超級電容器也可應(yīng)用于分布式電網(wǎng)。分布式電網(wǎng)系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來,當(dāng)能量出現(xiàn)緊缺時,通過控制單元再將存儲的能量釋放出來,這能夠準(zhǔn)確快速地補償系統(tǒng)所需要的能量,實現(xiàn)電能平衡機制的穩(wěn)定控制。同時,超級電容器還可以改善電網(wǎng)質(zhì)量。
3.4 變頻驅(qū)動系統(tǒng)的能量緩沖器
超級電容器和功率變換器構(gòu)成的能量緩沖器,可以應(yīng)用于電梯等變驅(qū)動系統(tǒng),加速時,向驅(qū)動系統(tǒng)的直流母線提供電流,從而提供電機所需的峰值功率; 減速時,電機通過變頻器向直流母線進行能量回收。在動力 UPS 系統(tǒng)中,超級電容器可以作為能量直流儲能組件,其可以避免由多節(jié)蓄電池串聯(lián)所帶來的一系列的問題,并且降低成本,便于維護,提高 UPS 設(shè)備的可靠性。
3.5 軍事裝備
軍事裝備要求儲能單元可靠、輕便并且隱蔽性要強,但很多的軍用裝備不能夠直接通過公共電網(wǎng)供電,而是需要配置發(fā)電設(shè)備和儲能裝置?;旌闲统夒娙萜髟谝欢ǔ潭壬夏軌驖M足軍事裝備的需求: 能夠大幅度減輕背負(fù)設(shè)備的重量; 解決常規(guī)潛艇中蓄電池壽命短暫的問題; 解決運輸車等車輛的低溫啟動性困難的問題,另外還可以提高車輛的動力性和隱蔽性。
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原文標(biāo)題:簡析超級電容器的原理及應(yīng)用
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