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超級電容,鋰離子電池替代者

安富利 ? 來源:互聯(lián)網(wǎng) ? 作者:佚名 ? 2017-09-17 10:00 ? 次閱讀
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對于電子產(chǎn)品我們大都患有“能源焦慮癥”,所以,除了壓榨電源管理達到極限以外,尋找更強大的“電源”就成了“永恒”的追求。鋰離子電池可以說是當今人們能夠找到的最理想的商用儲能技術,但仍談不上完美,特別是在安全性方面,需要人們花費很多精力去小心伺候。所以,尋找鋰離子電池替代技術的努力也一直沒有停止。超級電容,可以稱得上是一位實力候選者。

與傳統(tǒng)的電容相比,超級電容的結(jié)構(gòu)比較特殊,可以將其簡單地理解為在電解質(zhì)中加入的兩個多孔電極板,在電極板上加電,電解質(zhì)中相反極性的離子就會在電極附近形成兩個容性存儲層,以達到儲能的目的。超級電容儲能容量的大小,與電極的平面面積正相關,由于超級電容電極表面多采用多孔炭材料,所以有效的面積很大(可達2000 m2/g),儲存能量的能力(靜電容量)遠遠大于傳統(tǒng)的電容器, 且具有非常小的電荷分離距離,這也是其“超級”二字的意義所在。

這樣特殊的架構(gòu),也決定了超級電容和其他儲能技術相比,擁有諸多優(yōu)勢,比如:

  • 容量遠超傳統(tǒng)電容,范圍可達0.1F至1000F,甚至上萬F;

  • 極快的充電速度,通常充電10秒至10分鐘可達到其額定容量的95%以上;

  • 循環(huán)使用壽命長,充放電循環(huán)使用次數(shù)最高可達50萬次,且沒有“記憶效應”;

  • 功率密度高,可達300W/KG~5000W/KG,相當于電池的5~10倍;

  • 大電流放電能力超強,能量轉(zhuǎn)換效率高;

  • 安全可靠;充放電電路簡單,無需特殊的保護電路;

  • 低溫特性好,溫度范圍寬達-40℃~+70℃;

  • 環(huán)保,產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染。

表1,超級電容與電池的性能比較

正是由于認識到超級電容的這些價值,近年來它的應用也日漸趨熱。根據(jù)IDTechEX的調(diào)研數(shù)據(jù),2014年全球超級電容器全球市場規(guī)模為11億美元,到2018年市場規(guī)模將達到32億美元,年復合增長率為31%。有數(shù)據(jù)顯示,中國超級電容市場規(guī)模也將從2016年的30億元增長到2020年的60億元,實現(xiàn)翻番。

所以遇到“治愈系”系的超級電池,對于那些患有能源“焦慮癥”的市場,真的算得上是個福音。

汽車和交通運輸將是超級電容的第一大應用市場。如在混合動力汽車中,利用超級電容快速充放電的特性,可以和電池配合形成智能啟停控制系統(tǒng)——超級電容可迅速高效地吸收電動汽車制動產(chǎn)生的再生動能完成充電,而在加速和爬坡時放電,為智能啟??刂葡到y(tǒng)電機提供電能,延長電池的使用壽命。類似的思路用在火車和地鐵的剎車制動系統(tǒng)上,預計可以節(jié)省30%的能量。與此同時,完全由超級電容構(gòu)成的動力系統(tǒng),也有望在新型城市公共交通中發(fā)揮作用——超級電容無軌電車可利用乘客上下車的時間,在30秒內(nèi)完成充電并行駛5公里以上,無需復雜的供電線路布設,全程零排放。超級電容電車目前已經(jīng)有很多城市付諸實用。

圖1,在奧地利格拉茲市運營的中國產(chǎn)超級電容電車(圖片來源:國際在線)

能源電力是超級電容另一個市場發(fā)力點。后備電源是超級電容一個典型的應用場景,它可以在線路失電時,為開關設備提供可靠的電源支持。另外在新能源微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)中,超級電容可以在低負荷時儲存電能,而在高負荷時輸出電能,滿足微電網(wǎng)用電需求,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。此外,超級電容在風力發(fā)電中還有一個典型應用,就是為變槳系統(tǒng)提供所需的驅(qū)動電力或后備電力,使得在電力供應停止的時候把槳葉的方向轉(zhuǎn)到安全位置上,由于超級電容循環(huán)使用壽命長,用它替代以往使用的電池可大大降低風力發(fā)電系統(tǒng)維護成本。

在工業(yè)領域超級電池同樣可以施展拳腳。比如大型工程機械、電梯等,由于使用時啟動、停止操作頻繁,以往有1/3的電能都以熱量形式耗散掉了,使用超級電容與電池組成的混合動力系統(tǒng),可以對機械制動的能量進行回收和利用,達到節(jié)能的目的。

此外,在新興的物聯(lián)網(wǎng)領域,從環(huán)境中收集能量作為邊緣端設備的電源,已經(jīng)成為重要的考慮。超級電池壽命長、可靠性高、無需額外保護電路等特性,使其有望成為能量收集的儲能設備,無論是單獨使用,還是和電池系統(tǒng)搭配使用,都能發(fā)揮重要作用。超級電容也在不斷改變自己的形態(tài)去適應的多樣化市場的要求,比如有報道稱,中科院就正在研發(fā)一種柔性、超薄、輕量化的皮膚型超級電容能量存儲裝置,為可穿戴設備提供電能,其比電容為56F/g,能量密度為6.0 Wh/kg,功率密度為332kW/kg。

和鋰離子電池等成熟技術相比,超級電容的商用化進程才剛剛起步,在能量密度等方面與電池相比也還有很大差距。不過隨著石墨烯等新材料的應用,以及商用超級電容產(chǎn)品的不斷進化,它終究會成為能源“焦慮癥”的一顆定心丸。

圖2,KEMET公司制造的表面貼裝式超級電容,已經(jīng)有很多成功的商用案例

圖3,AVX公司的SCM系列超級電容,具有高容值和低ESR特點,具有出色的脈沖功率特性,無論是單獨使用還是和電池配合使用,都能夠有效延長系統(tǒng)待機時間和電池壽命,提供所需的瞬時功率脈沖,是手持設備、能量收集和脈沖功率應用中出色的能源解決方案。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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原文標題:超級電容能不能治好你的“能源焦慮癥”?

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