超级电容器详细介绍

超级电容器(Supercapacitor 或Ultracapacitor)通过极化电解质来储能,按原理可以分为双电层型超级电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor,EDLC)和赝电容型超级电容器(又称法拉第准电容型超级电容器)。2006 年,美国《探索》杂志将超级电容器列为世界七大科技发现之一,认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展,并将在某些领域取代传统的蓄电池。

20 世纪80 年代末,由于电动汽车发展的需要,大尺寸超级电容器的研制成为热点,日本、俄罗斯、欧盟、美国等均将大尺寸超级电容器列为国家研究计划。从1992 年开始,美国能源部和USABC(美国先进电池协会,由美国能源部和通用汽车、福特、克莱斯勒联合主导) 就开始组织国家实验室(Lawrence Livermore,Los Alamos等)、大学和工业界(GE、Maxwell等)推出电动汽车用超级电容器的可行性研究计划,制定了近期(到2005 年)、中期和长期目标。

各阶段的能量密度和功率密度目标分别是:①近期5Wh/kg 和500W/kg;②中期10Wh/kg 和1kW/kg;③长期15Wh/kg 和1.5kW/kg。欧盟以法国帅福得(Saft)牵头,成员包括菲亚特(FIAT)、阿尔卡特- 阿尔斯通( Alcatel-Asthom )、丹麦奥尼克斯(Danioncs)、德国凯泽斯劳滕大学(University of Kaiserslautern)、荷兰能源研究中心(ECN)等,于1996 年开始集体研究开发电动车用超级电容器技术。欧盟的研发目标是:能量密度6Wh/kg、8Wh/L,功率密度1.5kW/kg、2kW/L,循环寿命>10 万次,满足电化学电池www.18650.com.cn转载请注明!和燃料电池电动汽车的要求,为工业开发做准备。

日本设立新电容器研究会,将超级电容器研究列入“新阳光”计划(New Sun ShineProject)。就超级电容器技术水平而言,有人认为,目前俄罗斯走在最前面。俄罗斯也有专门的国家级管理机构REVA。他们都制定了具体的超级电容器技术开发目标,这里就不细说。中国从20 世纪90 年代开始研制超级电容器及其电极材料。超级电容器及其关键材料的研制已纳入“十·五”、“十一·五”、863 计划中的部分专项和主题,如在电动车专项、纳米材料专项、特种功能材料技术主题等里面分别列有相关项目。这主要是科技部方面的相关工作,主管工业发展的工信部同样也在做着相关工作。

工信部2011 年07 月01 日印发的《产业关键共性技术发展指南(2011 年)》的通知中,明确表示提高超级电容器的比功率与比能量的材料技术和结构设计技术;超级电容器与电池混合应用系统的研究。在工信部主导并于2012 年07 月出台的《节能与新能源汽车发展规划(2011~2020 年)》中,明确了以能量型锂离子动力电池(www.18650.com.cn)为主要发展方向,兼顾功率型动力电池和超级电容器的发展。

双电层型超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体和隔离物4 个部件,在结构上与电解电容器非常相似,它们的主要区别就在于电极材料。目前,在双电层型超级电容器中,一般采用活性炭材料制作成多孔电极,因为碳电极材料的表面积比较大,且还具备成本低、技术较为成熟等优点。这种碳电极的大表面积再加上很小的电极间距离,使超级电容器的容值可以非常大。现阶段常用的活性炭电极材料一般有:活性炭电极材料、碳纤维电极材料、碳气凝胶电极材料、碳纳米管电极材料。

电解质对超级电容器的性能也有显著影响。目前通常使用的电解质是液态,有水性电解液和有机电解液2 类。随着锂离子电池电解质技术正在由液态向固态进展,已有企业在开发应用凝胶电解质和PEO 等固体电解质的超级电容器产品。

赝电容又称法拉第准电容,是利用在电极表面及其附近发生在一定电位范围内快速可逆法拉第反应来实现能量存储。简单说是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附,脱附或氧化,还原反应,产生和电极充电电位有关的电容。这种法拉第反应与二次电池的氧化还原反应不同,也不同于原电池,此时的放电和再充电行为更接近于电容器,是在电极表面快速的氧化-还原反应储能,电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线性关系。

赝电容不仅只在电极表面,而且可在整个电极内部产生,因而,赝电容型超级电容器可获得比双电层型超级电容器更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下,赝电容可以是双电层电容量的10~100 倍。赝电容型超级电容器一般又称为电化学电容器,根据电极材料的不同,又可细分为金属氧化物超级电容器和聚合物超级电容器。目前这类超级电容器总体上还处于研发阶段,只有RuO2 型和NiOx 型推出了相关产品。

总的来说,与锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池等化学电源相比,超级电容器的最大特点是使用寿命超长,功率密度很高(一般>500W/kg),可瞬间充放电;缺点是能量密度不够。2007 年的时候,市场上的高端超级电容器每0.4536kg 的存储能量只有锂离子电池的1/25。现在,通过领先企业的不懈努力,超级电容器的能量密度虽然有了较大提升,但普遍仍相差较远,最多也只有锂离子电池的1/8。而与普通的电容器相比则正好相反,能量密度要高得多但在使用寿命、功率密度等方面却要明显逊色一筹。因此,超级电容器是介于电池和物理电容器之间的一种能量存储装置。


【 浏览次数: 】 【 加入时间:2013-7-22 10:54:07 】
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