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    超級電容器的現狀及應用

    文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2021-08-12 15:37:00【

     超級電容器具有功率密度高(大于1kW·kg-1 ,甚至幾十 kW·kg-1)、壽命長(105次以上)、使用溫度寬(-40~60℃)及充電迅速(<3min)等優異特性,各國政府和公司都積極開展此方面的研究開發工作,并已有各種產品得到了商業應用。美國能源部已對研制全密封超級電容器制定了目標,其近期目標(1998~2003年)為:功率密度達到500W·kg-1,能量密度達到 5Wh·kg-1;遠期目標(2003年以后)為:功率密度達到1500W·kg-1,能量密度達到15Wh·kg-1。目前,俄羅斯、美國、日本等國就超級電容器已開展了大量研究工作,

     

     
    圖1 雙電層超級電容器、電化學電容器與可充電電池及燃料電池的能量密度、功率密度比較
     
    表2 幾種電化學儲能器件的性能比較
     
     
    電化學儲能器件 能量密度(Wh·dm-3)
    功率密度(W·dm-3)
    循環壽命/次
    電池 50~250 150 <104
    電化學電容器 5
    >105
    >105
    普通物理電容器
    0.05
    >108 >106
     
     
      并取得了一定的進展,90年代初,兩家俄羅斯公司Econd和ELIT開始銷售超級電容器,采用碳復合體及水系電解質,額定電壓在12~450V,容量從1法拉到幾百法拉,RC常數大約為0.3s,這些超級電容器適用于需要大功率的啟動動力的場合。日本松下公司的圓柱型超級電容器,采用碳材料及有機電解質,額定電壓為3V,容量800~3000F,功率密度1000W·kg-1 。美國Maxell公司方形超級電容器,采用碳布與鋁箔復合及有機電解質,額定電壓為3V,容量1000~2700F。最近日本的EPCOS公司也已開發出同類產品,準備推向市場。法國SAFT公司的33680型超級電容器額定電壓為3V,單體重量為95g,比能量4.8Wh·kg-1,比功率3.4kW·kg-1。此外,美國Powerstor、Evans公司和Los Alamos National Lab、Pinnacle Research Insitute,日本NEC公司,澳大利亞Cap-xx公司、韓國NESS公司等在超級電容器方面的研究也很活躍。
     
    表3 列出了目前國外超級電容器的研究現狀。
     
    公司 
    國家
    技術基礎
    電解質 
    結構
    規格
    PowerSto
    美國 
    凝膠碳
    有機
    卷繞式
    35V,7.5F
    Skeleton 
    美國
    納米碳
    有機
    預燒結碳-金屬復合物
    35V,250F
    Maxw ell 
    美國
    復合碳纖維
    有機
    鋁箔、碳布 
    3V,10002700F 
    Superf arad 
    瑞典
    復合碳纖維
    有機
    碳布+粘合劑、多單元
    40V,250F 
    Cap-xx
    澳大利亞
    復合碳顆粒
    有機
    卷繞式、碳顆粒+粘合劑
    3V,120F
    ELIT 
    俄羅斯 
    復合碳顆粒
    硫酸
    雙極式、多單元
    450V,0.5F 
    NEC
    日本 
    復合碳顆粒
    水系
    碳布+粘合劑、多單元
    511V,12F
    Panasonic 
    日本 
    復合碳顆粒
    有機
    卷繞式、碳顆粒+粘合劑
    3V,8002000F
    SAFT 
    法國 
    復合碳顆粒
    有機
    卷繞式、碳顆粒+粘合劑
    3V,130F 
    Los Alamos Lab
    美國 
    導電聚合物薄膜 
    有機
    單一單元,導電聚合物薄膜PFPT+碳紙
    2.8V,0.8F
    ESMA
    俄羅斯 
    混合材料
    KOH 
    多單元、+氧化鎳 
    1.7V,50000F
    Evans
    美國 
    混合材料
    硫酸
    單一單元、氧化釕+鋰箔
    28V,0.02F 
    Pinnacle
    美國 
    混合金屬氧化物
    硫酸
    雙極式、多單元、氧化釕+鋰箔 
    15V,125F 
    US Army
    美國 
    混合金屬氧化物
    硫酸
    雙極式、多單元、含水氧化釕
    5V,1F 
     
     
      可以發現,研究及商業化的超級電容器大部分采用了碳材料作為電極材料。但是, 為進一步提高電容器的性能,碳電極材料還存在很多問題,有待進一步改進。超級電容器因其優異特性而使其在各個領域得到了廣泛應用,如用做存儲器、微型計算機、系統主板和鐘表等的備用電源;用做電動玩具車主電源、內燃機中啟動電力、太陽能電池輔助電源,還可應用于航空航天等領域。電動汽車對動力電源的要求引起了全世界范圍對超級電容器這一新型儲能裝置的廣泛重視。傳統動力電池在高功率輸出、快速充電、寬溫度范圍使用以及壽命等方面存在一定的局限性,有些苛刻條件可能會顯著降低電池的壽命。而超級電容器能較好地滿足電動車在啟動、加速、爬坡時對功率的需求,若與動力電池配合使用,則可減少大電流充放電對電池的傷害,延長電池的使用壽命,同時還能通過再生制動系統將瞬間能量回收于超級電容器中,提高能量利用率。因而,超級電容器是近年來電動車動力系統開發中的重要領域之一。
     
      美國Maxell 公司所開發的超級電容器已在各種類型電動車上都得到良好應用。本田公司在其開發出的第三代和第四代燃料電池電動車FCX-V3和FCX-V4中分別使用了自行開發研制的超級電容器來取代二次電池,減少了汽車的重量和體積,使系統效率增加,同時可在剎車時回收能量,測試結果表明,使用超級電容器時燃料效率和加速性能均得到明顯提高,啟動時間由原來的10min縮短到10s。此外,法國SAFT公司,澳大利亞Cap-xx公司、韓國NESS公司等也都在加緊電動車用超級電容器的開發應用。
     
     

     

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