超級電容/電池綱要全解及應(yīng)用發(fā)展趨勢

　　對于一些理工科的人來講，可能對電容都或多或少有一定的了解，就算是普通的人，可能也見過電容，因為在我們的現(xiàn)實生活中，經(jīng)常能夠見到電容的影子，不過超級電容電池并不是那么多人知曉，超級電容電池是在超級電容器的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的一種電池，這種電池具有非常顯著的特點，是比傳統(tǒng)電池更加強勢一種電池，優(yōu)勢非常多，在許多方面的應(yīng)用非常的多，比如說在新能源汽車、有軌電車等等，都可以見到超級電容電池的影子，可以這么說，超級電容電池的出現(xiàn)以及發(fā)展，必將會帶來再次的工業(yè)革命，極大的提高某些方面的運作能力。

　　超級電容電池

　　一、電容的種類

　　由于絕緣材料的不同，所構(gòu)成的電容器的種類也有所不同： 按結(jié)構(gòu)可分為：固定電容，可變電容，微調(diào)電容。按介質(zhì)材料可分為：氣體介質(zhì)電容，液體介質(zhì)電容，無機固體介質(zhì)電容，有機固體介質(zhì)電容電解電容。按極性分為：有極性電容和無極性電容。 我們最常見到的就是電解電容。從原理上分為：無極性可變電容、無極性固定電容、有極性電容等。從材料上可以分為：CBB電容（聚乙烯），滌綸電容、瓷片電容、云母電容、獨石電容、電解電容、鉭電容等。

　　1、電解電容

　　兩片鋁帶和兩層絕緣膜相互層疊，轉(zhuǎn)捆后浸泡在電解液（含酸性的合成溶液）中，容量大，高頻特性不好。

　　2、獨石電容

　　體積比CBB更小，其他同CBB，有感。

　　3、云母電容

　　云母片上鍍兩層金屬薄膜，容易生產(chǎn)，技術(shù)含量低，體積大，容量小，（幾乎沒有用了）。

　　4、陶瓷電容

　　用陶瓷作介質(zhì)，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質(zhì)薄膜做板極制成，它的特點是體積小，耐熱性能好，損耗小，絕緣電阻高，但容量小，適宜用于高頻電路。

　　5、基層電容

　　鐵電陶瓷電容容量較大，但是損耗和溫度系數(shù)較大，適宜用于低頻電路。薄瓷片兩面渡金屬膜銀而成，體積小，耐壓高，價格低，頻率高（有一種是高頻電容），易碎！容量低。

　　6、CBB電容

　　2層聚乙烯塑料和2層金屬箔交替夾雜然后捆綁而成。

　　7、無感CBB電容

　　2層聚丙乙烯塑料和2層金屬箔交替夾雜然后捆綁而成，無感，高頻特性好，體積較小，不適合做大容量，價格比較高，耐熱性能較差。

　　二、超級電容器是傳統(tǒng)電容的升級

　　平板電容器是由兩個彼此絕緣的金屬電極板組成，電容量與電極板的面積成正比，與電極板之間的間隙大小成反比。超級電容的結(jié)構(gòu)類似于平板電容，其電極為多孔碳基材料，該材料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克重量的表面積可達幾千平方米，而電容電荷分隔的距離由電解質(zhì)　中的離子大小決定。巨大的表面積加上電荷間極小的距離，使得超級電容具有很大的容量，超級電容單體的容量可從1法拉至幾千法拉不等。

　　與傳統(tǒng)電池相比，超級電容具有許多優(yōu)點：充電速度快，10秒~10分鐘即可充至其額定容量的95%以上；功率密度達（102~104）W/kg，是鋰電池的10倍左右；大電流放電能力強；循環(huán)使用次數(shù)達10~50萬次，壽命長；安全系數(shù)高，長期使用免維護。但與主流硫電池相比仍面臨成本高、能量密度低的劣勢。

　　三、超級電容器可作為電池的替代品

　　在某些應(yīng)用中，超級電容是電池的替代品；還 有一些應(yīng)用中，超級電容為電池提供支持。有些情況下，超級電容可能無法存儲足夠的能量，此時就有必要使用電池了。例如，當環(huán)境能源（例如太陽）為間歇式 時，如在夜間，則存儲的能量不僅要用于提供峰值功率，而且還要支撐應(yīng)用更長的時間。

　　如果所需峰值功率超過了電池可以提供的量（如在低溫下做GSM呼叫或小 功率傳輸），則電池可以用小功率為超級電容充電，而超級電容來提供大的脈沖功率。這種結(jié)構(gòu)還意味著電池永遠不會深度循環(huán)，從而延長了電池壽命。超級電容存 儲物理電荷，而不是像電池那樣的化學(xué)反應(yīng)，因此超級電容實際有無限的循環(huán)壽命。

　　當超級電容從一只電池充電來提供峰值功率脈沖 時，各個脈沖之間存在著一個重要的間隔，如果脈沖相距過近，則讓超級電容總是處于充電狀態(tài)會更有效率。但如果脈沖間距不太近，則能效更高的辦法是在峰值功 率事件以前為超級電容充電。

　　這個間隔取決于多種因素，包括超級電容在達到均衡泄漏電流以前吸納的電容、超級電容的自放電特性，以及電路為了提供給峰值功率 事件而從超級電容拉出的電荷。只有當你預(yù)先知道峰值功率事件的來臨時間，這種選擇才是有效的，而不能用于對不可預(yù)測事件的反應(yīng)，如電池失效或外部刺激。

　　四、超級電容電池與超級電容器

　　超級電容電池又叫雙電層電容器是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。超級電容器由于石油資源日趨短缺，并且燃燒石油的內(nèi)燃機尾氣排放對環(huán)境的污染越來越嚴重（尤其是在大、中城市），人們都在研究替代內(nèi)燃機的新型能源裝置。

　　超級電容是從上世紀七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。

　　五、超級電容電池的好處

　　1、充電時間

　　目前充電樁概念很火，但是充一次要五個小時。這個是制約鋰電池汽車的最大難題。石墨希超級電容短的讓人吃驚，如果和充電樁結(jié)合起來，這個效率最起碼是鋰電池不能比的。根據(jù)株洲中車的說明，根據(jù)不同的容量和額定工作電壓，3伏/12000法拉超級電容在30秒內(nèi)即可充滿電，2.8伏/30000法拉超級電容充電時間在1分鐘內(nèi)。

　　相比活性炭超級電容，石墨烯/活性炭復(fù)合電極超級電容能量更大，壽命更長。據(jù)說這一技術(shù)代表了目前世界超級電容單體技術(shù)的最高水平，技術(shù)研發(fā)持續(xù)走在世界前列。

　　2、安全性

　　電池應(yīng)該都有爆炸的風(fēng)險。目前各類電池安全措施都很好，除了偽劣電池，爆炸的可能性都很低。在鋰離子電池中，帶有最大的危險是中間的有機電解質(zhì)溶劑，以易燃的醚類最多。當電池因為任何原因短路時，電池內(nèi)能量會在短時間以熱的形式釋放出來，點燃這些做為溶劑的醚類，引發(fā)爆炸。

　　鋰離子電池，由于夏天車內(nèi)溫度較高，所以發(fā)生爆炸或自燃的可能性很大。超級電容器，充滿電后用射釘槍打，使其短路，任何反應(yīng)都沒有；放火上燒，不銹鋼外殼快燒紅了，也沒發(fā)生爆炸（一網(wǎng)友的描述）。和中國中車株機公司技術(shù)中心副總監(jiān)、寧波超級電容研究所所長阮殿波描述的差不多，“無污染、無爆炸”。

　　3、續(xù)航里程

　　2014年12月26號，美國電動汽車制造商特斯拉發(fā)布了兩年前停產(chǎn)的第一代車型Roadster的升級版，續(xù)航里程達到644公里，高出原版60%。特斯拉CEO馬斯克稱，特斯拉的高性能石墨烯電池，相比目前的容量增長近70%。國內(nèi)某網(wǎng)站也曾宣稱2015年上半年有望量產(chǎn)石墨烯鋰電池，但是至今未有下文。

　　一位網(wǎng)友實際測試的結(jié)果是“以我們測試的這天為例，早上滿電出發(fā)，到下午還車，由于駕駛比較激烈，所以雖然一共只開了140多公里，最后剩余電量就只有20%左右。我個人推測在北京這樣的大城市使用，它的實際續(xù)航里程應(yīng)該在250-300km公里左右”。據(jù)鳳凰網(wǎng)報道，一家以色列公司StoreDot達到目標正在發(fā)明一項技術(shù)使電動車可以在僅僅5分鐘的充電后行駛幾百英里。目前已運用在消費者手機上，并有望日后應(yīng)用在電動車上的StoreDot電池。

　　但是在電動車的應(yīng)用研發(fā)上可能需要更長時間。即使一切順利，至少五年內(nèi)StoreDot的電池都不太可能完成其電動車應(yīng)用的商業(yè)化進程。根據(jù)國內(nèi)一論文結(jié)論，“如果綜合考量材料成本、生產(chǎn)工藝、加工性和電化學(xué)性能，筆者認為，石墨烯或者石墨烯復(fù)合材料實際用于鋰電負極的可能性很小產(chǎn)業(yè)化前景渺茫。”

　　在石墨希鋰電池未量產(chǎn)之際，石墨希超級電容面世了，3伏/12000法拉超級電容適合用于有軌電車主驅(qū)動，單次充電行駛里程可達6公里，2.8伏/30000法拉超級電容適合用于無軌電車主驅(qū)動，單次充電行駛里程可從目前的4～6公里提高到8～10公里。論續(xù)航能力，超級電容能量密度低，還有提高空間，但是用在公交車上是綽綽有余了。但是網(wǎng)上還有新聞，中上汽車董事長謝镕安介紹，超級電容充電3分鐘左右可續(xù)駛20公里。這個沒有經(jīng)歷過，具體能續(xù)航多少沒有確切數(shù)據(jù)。

　　六、超級電容電池的兩個電容形式

　　實踐過程中，人們?yōu)榱诉_到提高電容器的性能，降低成本的目的，經(jīng)常將贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合使用，制成所謂的混合電化學(xué)電容器?；旌想娀瘜W(xué)電容器可分為兩類，一類是電容器的一個電極采用贗電容電極材料，另一個電極采用雙電層電容電極材料，制成不對稱電容器，這樣可以拓寬電容器的使用電壓范圍，提高能量密度；另一類是贗電容電極材料和雙電層電容電極材料混合組成復(fù)合電極，制備對稱電容器。

　　1、法拉第贗電容器

　　法拉第贗電容器也叫法拉第準電容，是在電極表面活體相中的二維或三維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。這種電極系統(tǒng)的電壓隨電荷轉(zhuǎn)移的量呈線性變化，表現(xiàn)出電容特征，故稱為“準電容”，是作為雙電層型電容器的一種補充形式。原文地址：http：//www.pikacn.com/news/201611/5284.html

　　法拉第準電容的充放電機理為：電解液中的離子（ 一般為H+或OH-）在外加電場的作用下向溶液中擴散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學(xué)反應(yīng)進入到電極表面活性氧化物的體相中；若電極材料是具有較大比表面積的氧化物，就會有相當多的這樣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，大量的電荷就被存儲在電極中。放電時這些進入氧化物中的離子又會重新回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路釋放出來。

　　2、雙電層電容器

　　一對浸在電解質(zhì)溶液中的固體電極在外加電場的作用下，在電極表面與電解質(zhì)接觸的界面電荷會重新分布、排列。作為補償，帶正電的正電極吸引電解液中的負離子，負極吸引電解液中的正離子，從而在電極表面形成緊密的雙電層，由此產(chǎn)塵的電容稱為雙電層電容。雙電層是由相距為原子尺寸的微小距離的兩個相反電荷層構(gòu)成，這兩個相對的電荷層就像平板電容器的兩個平板一樣。Helmholtz首次提出此模型。

　　能量是以電荷的形式存儲在電極材料的界面。充電時，電子通過外加電源從正極流向負極，同時，正負離子從溶液體相中分離并分別移動到電極表面，形成雙電層；充電結(jié)束后，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。在放電時，電子通過負載從負極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負離子從電極表面被釋放進入溶液體相呈電中性。

　　七、超級電容電池的泄露電流現(xiàn)象

　　當超級電容充電時，泄漏電流會隨著時間而衰減，因為碳電極中的離子會擴散進入孔隙中。泄漏電流會穩(wěn)定在一個均衡值，該值取決于電容、電壓和時間。泄漏電流與 電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗估計算法為室溫下1μA/F。圖6中的150mF電容，在160小時后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。泄 漏電流隨溫度升高而呈指數(shù)上升。

　　當溫度升高時，穩(wěn)定到均衡值的時間會減小，因為離子擴散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時間最小。根據(jù)不同的 超級電容，這個電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計者在為能量采集電路挑選超級電容時，應(yīng)考慮測試這個最小充電電流。

　　八、超級電容電池的充電

　　一個放電的超級電容就像一個與能量源短接的電路。所幸，很多能量采集源（如太陽能電池和微發(fā)電機）都可以驅(qū)動一個短接的電路，從0V起為一只超級電容直接充電。與各種能量源（如壓電或熱電能）接口的IC必須能夠驅(qū)動一個短接的電路，從而為超級電容充電。

　　業(yè)界在MPPT（最大峰值功率追蹤）方面做了很大努力，以從能量采集源最有效地獲得功率。當必須用恒壓方式為電池充電時，這種方案是可行的。電池充電器通常是一個dc/dc轉(zhuǎn)換器，它對能量源是一個恒定功率的負載，因此，采用MPPT在最高效點獲得能量就是有意義的。

　　與電池相反，超級電容不需要以恒壓充電，而以電源可以提供的最大電流充電時效率最高。一個簡單而有效的充電電路，用于太陽能電池陣列的開路電壓小 于超級電容額定電壓的情況。二極管可防止超級電容在太陽能電池?zé)o光照情況下對其反充電。如果能源的開路電壓大于超級電容的電壓，則超級電容需要采用分流穩(wěn) 壓器做過壓保護。分流穩(wěn)壓器是過壓保護一種廉價而簡單的方案，一旦超級電容充滿電，就無所謂是否消耗了過多的能量。

　　能量采集器就像一根能無限供水的水管，為一個水槽注水（好比一只超級電容）。如果水槽滿了，水管仍開著，水就會溢出。這與電池不同，電池供給能量有限，因此需要串聯(lián)穩(wěn)壓器。

　　在電路里，超級電容為0V，從一塊太陽能電池芯獲取短路電流。隨著超級電容的充電，電流下降，這取決于太陽電池芯的電壓/電流特性。但超級電容總是 要獲取可能的最大電流，因此它以盡可能大的速率充電。中的電路采用了TLV3011太陽能電池芯，因為它內(nèi)含了一個電壓基準，只需要約3μA的靜態(tài)電 流，并且它是一種漏極開路電池芯，當穩(wěn)壓器關(guān)斷時，輸出就是開路的。電路采用了BAT54二極管，因為它在小電流時有低的正向壓降，即在正向電流小于 10μA時，正向電壓小于0.1V。

　　微發(fā)電機很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，如監(jiān)控旋轉(zhuǎn)的機器，因為機器在工作時會發(fā)生振動。給出了一只微發(fā)電機的電壓-電流特性，它類似于一只太陽能電池 芯，能夠為一個短接電路提供最大的電流。微發(fā)電機還帶有一個二極管橋，可防止超級電容為發(fā)電機反向充電，這就得到了一個簡單的充電電路。

　　當超級電容充電時，泄漏電流會隨著時間而衰減，因為碳電極中的離子會擴散進入孔隙中。泄漏電流會穩(wěn)定在一個均衡值，該值取決于電容、電壓和時間。泄漏電流與 電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗估計算法為室溫下1μA/F。中的150mF電容，在160小時后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。

　　泄漏電流隨溫度升高而呈指數(shù)上升。當溫度升高時，穩(wěn)定到均衡值的時間會減小，因為離子擴散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時間最小。根據(jù)不同的 超級電容，這個電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計者在為能量采集電路挑選超級電容時，應(yīng)考慮測試這個最小充電電流。

　　九、超級電容電池帶動風(fēng)力發(fā)電革命

　　作為新興儲能元件，超級電容具有循環(huán)壽命長，充放時間快等特點，在風(fēng)力發(fā)電機狹小的密閉有限空間輪轂控制柜內(nèi)，超級電容更具有適應(yīng)溫度范圍廣，體積小容量大，可焊接，維護簡單等優(yōu)點，在風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)中，超級電容不會過充，過放影響壽命，充放電過程僅僅是物理層面上的變化，不會對常年密閉空間作業(yè)的輪轂內(nèi)部造成二次污染，超級電容以保持穩(wěn)定的直流電壓，保證變槳伺服電機的正常運作。

　　超級電容的基本工作原理是碳碳雙電層原理，存儲過程可逆，分析時采用RC模型，包括理想電容C等效串聯(lián)內(nèi)阻RESP，等效并聯(lián)內(nèi)阻REPR，RESP影響超級電容充放電效率，REPR影響電容自放電，即長期靜止存儲。存電荷不一樣的是，雙電層電容器是在電極-電解質(zhì)表面以靜電形式的電荷進行儲能。這種儲能模式具有快速充電/放電能力、高可靠性和長循環(huán)壽命的特點，相對于鉛酸蓄電池，對于緊急變槳供電對多變的風(fēng)況的情況下更具有優(yōu)勢。

　　更換了一部分超級電容以后針對于風(fēng)能隨機性強力，環(huán)境惡劣，溫度濕度變化大，鹽霧污穢侵蝕嚴重等因素對供電模塊影響。可以得出超級電容相比鉛酸蓄電池更加穩(wěn)定，實用性和可行性更強 可以預(yù)見超級電容的應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來越成熟的發(fā)展中所占的比例將逐漸上升。所以超級電容做為風(fēng)力發(fā)電機后備電源具有很強的可行性。

　　十、超級電容電池變革新能源汽車

　　超級電容在新能源汽車中主要有三類應(yīng)用：一是作為動力設(shè)備，如上海11路公交即為超級電容大巴，車輛運行中途充電只需30秒，一次充電可行駛5~8公里，既節(jié)能環(huán)保又兼顧城市景觀；二是作為發(fā)動機的輔助驅(qū)動，在汽車快速啟動時提供較大的驅(qū)動電流，減少了油耗和不完全燃燒的污染排放；三是對制動能量進行回收利用，當汽車需要加速時，再將這些儲存的能量釋放出來，提高了能源的使用效率。

　　十一、超級電容電池展望有軌電車未來

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球已有超過60個國家、300個城市運營現(xiàn)代有軌電車；國內(nèi)已有50多個城市開展了有軌電車的規(guī)劃、建設(shè)和運營。國內(nèi)正在建設(shè)的超級電容儲能式有軌電車項目：武漢市大漢陽區(qū)有軌電車T1線，全長19km，已采購超級電容車輛21列；寧波市鄞州區(qū)有軌電車示范線，全長8km，已采購超級電容車輛10列；東莞市松山湖華為工業(yè)園區(qū)線，全長5km，已采購超級電容車輛5列；深圳市龍華新區(qū)有軌電車T1線，全長約12km，計劃配超級電容車輛15列；武漢市東湖高新區(qū)有軌電車T1/T2線，全長16/19km，計劃配超級電容車輛26列；廣州2020年前規(guī)劃約500公里有軌電車線網(wǎng)，計劃配超級電容車輛約500列等等。國外及港澳臺正在建設(shè)的超級電容儲能式有軌電車項目：臺灣高雄有軌電車環(huán)線，全長22km，已采購超級電容車輛約30列（CAF）；卡塔爾多哈有軌電車線，全長12km，已采購超級電容車輛18列（SIEMENS）。

　　目前已經(jīng)運營或試運行的超級電容儲能式有軌電車有：廣州海珠（7.7km，已運營）；江蘇淮安（20.3km試運行）。

　　全球首條超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車運營線-廣州海珠線運行情況：運營時間： 9：00-21：00；上線數(shù)量： 工作日4+1列，周末6+1列；運營里程：230公里（每列15個往返）；旅行速度： 24km/h，7.7km單程19分；正點率： 99.87%；每日客流：最高日超2萬張票（7列車）；車輛電耗：《3度/公里↓30%。

　　超級電容儲能式有軌電車已逐步融入了城市文化，它已經(jīng)不僅僅是一種交通工具，而是一種新的生活方式。

　　十二、超級電容電池助力混動力汽車發(fā)展

　　HEV的由來，一個方面是從能源危機，另一方面是環(huán)境污染，再一個就是國家相關(guān)政策，從這幾個方面提出了混合動力需求。HEV的分類現(xiàn)在有不同的方法，上午和下午也介紹了不少。工作原理，我不是專業(yè)的，就不多介紹，主要還是契合主題，講我們的鈦酸鋰電池和超級電容器。

　　首先要知道HEV的使用特點，目前HEV的使用特點第一個就是使用頻度比較高，頻繁、淺度的充放電循環(huán)；二是功率要求比較大，在充電過程中電流和電壓都有比較大的變化；三是工作環(huán)境，實際工況相對來說比較復(fù)雜。溫度方面，工作溫度需求區(qū)域就比較寬。

　　根據(jù)以上實際工作特點，就對我們HEV相關(guān)電源提出了電源設(shè)計方面的要求。一是循環(huán)壽命，電池循環(huán)壽命要求比較高，最好是能夠持續(xù)使用15年以上。二是大功率充放電性能。三是工作適應(yīng)溫度比較寬一點，盡可能在零下40和70度都有較好的充放電能力。四是安全穩(wěn)定問題，純電動和混合電動都出現(xiàn)過安全事故，這塊大家都非常關(guān)注。五是充放電效率，動力電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過充電-放電-充電的循環(huán)，高的充放電效率對保證整車效率具有至關(guān)重要的作用。

　　目前在HEV使用的配套電池解決方案應(yīng)該差不多有十種左右，一個是鉛酸電池；二是傳統(tǒng)的鎳氫電池；三是以磷酸鐵鋰為正極材料，以石墨或者碳為負極材料；四是以三元鎳鈷錳酸鋰為正極材料，石墨為負極材料；五是鋅鎳電池；六是就是我今天要談到的一個，以三元材料做正極，鈦酸鋰作為負極，就是鈦酸鋰電池，其實它也是我們鋰離子電池的一種，只是負極不同而已。七是超級電容器和其他二次電池的搭配使用，用到混合電動車上。當然還有液流電池和燃料電池、鐵鎳電池等，大概有十多種。

　　總結(jié)：電池是動力的源頭，而電容作為存儲電量的基本，其重要性當然是非常重要的，如果電容和電池的特點能夠結(jié)合，那么肯定是非常具有誘惑力的，這就是超級電容電池的最大潛力，所以說，如果這種電池能夠得到普及的話，那必將會帶來一個革命。