超級電容電池知識全解析

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?yàn)樵谖覀兊默F(xiàn)實(shí)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(diǎn)，是比傳統(tǒng)電池更加強(qiáng)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(yùn)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(jī)固體介質(zhì)電容，有機(jī)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(dú)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(dú)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(diǎn)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(jià)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(jià)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(gè)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(dá)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(diǎn)：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(dá)(102~104)W/kg，是鋰電池的10倍左右;大電流放電能力強(qiáng);循環(huán)使用次數(shù)達(dá)10~50萬次，壽命長;安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù)。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(shí)就有必要使用電池了。例如，當(dāng)環(huán)境能源(例如太陽)為間歇式 時(shí)，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(shí)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(yuǎn)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(shí)際有無限的循環(huán)壽命。

當(dāng)超級電容從一只電池充電來提供峰值功率脈沖 時(shí)，各個(gè)脈沖之間存在著一個(gè)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(gè)間隔取決于多種因素，包括超級電容在達(dá)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(dāng)你預(yù)先知道峰值功率事件的來臨時(shí)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(shí)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(diǎn)。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(jī)尾氣排放對環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重(尤其是在大、中城市)，人們都在研究替代內(nèi)燃機(jī)的新型能源裝置。

超級電容是從上世紀(jì)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(shí)間

目前充電樁概念很火，但是充一次要五個(gè)小時(shí)。這個(gè)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(gè)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(shí)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(xiǎn)。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(xiǎn)是中間的有機(jī)電解質(zhì)溶劑，以易燃的醚類最多。當(dāng)電池因?yàn)槿魏卧蚨搪窌r(shí)，電池內(nèi)能量會在短時(shí)間以熱的形式釋放出來，點(diǎn)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(jī)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(dá)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(shí)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(gè)人推測在北京這樣的大城市使用，它的實(shí)際續(xù)航里程應(yīng)該在250-300km公里左右”。據(jù)鳳凰網(wǎng)報(bào)道，一家以色列公司StoreDot達(dá)到目標(biāo)正在發(fā)明一項(xiàng)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(yùn)用在消費(fèi)者手機(jī)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(shí)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(jìn)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(rèn)為，石墨烯或者石墨烯復(fù)合材料實(shí)際用于鋰電負(fù)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(dá)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F安介紹，超級電容充電3分鐘左右可續(xù)駛20公里。這個(gè)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(gè)電容形式

實(shí)踐過程中，人們?yōu)榱诉_(dá)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(gè)電極采用贗電容電極材料，另一個(gè)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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)電容”，是作為雙電層型電容器的一種補(bǔ)充形式。原文地址：http：//www.pikacn.com/news/201611/5284.html

法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)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(kuò)散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(dāng)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(shí)這些進(jìn)入氧化物中的離子又會重新回到電解液中，同時(shí)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(bǔ)償，帶正電的正電極吸引電解液中的負(fù)離子，負(fù)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(gè)相反電荷層構(gòu)成，這兩個(gè)相對的電荷層就像平板電容器的兩個(gè)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(shí)，電子通過外加電源從正極流向負(fù)極，同時(shí)，正負(fù)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(fù)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(fù)極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。在放電時(shí)，電子通過負(fù)載從負(fù)極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負(fù)離子從電極表面被釋放進(jìn)入溶液體相呈電中性。