新世紀(jì)突破性電源超級(jí)電容器風(fēng)行世界
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時(shí)間：2011-09-25
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超級(jí)電容器自面市以來(lái)，全球需求量快速擴(kuò)大，已成為化學(xué)電源領(lǐng)域內(nèi)新的產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)。超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)、混合燃料汽車(chē)、特殊載重汽車(chē)、電力、鐵路、通訊、國(guó)防、消費(fèi)性電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力，被世界各國(guó)所廣泛關(guān)注。
世界著名科技期刊美國(guó)《探索》雜志2007年1月號(hào)，將超級(jí)電容器列為2006年世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一，認(rèn)為超級(jí)電容器是能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性發(fā)展，并將在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池。
一、超級(jí)電容器工作機(jī)理與潛在優(yōu)勢(shì)
超級(jí)電容之所以有巨大的電容量，是由于電容是以將電荷分割開(kāi)來(lái)的方式儲(chǔ)存能量的。儲(chǔ)存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容量越大。超級(jí)電容是從多孔碳基電極材料得到其儲(chǔ)存電荷面積的，這種材料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克重量的表面積可達(dá)2000平方米。而超級(jí)電容中電荷分隔的距離是由電解質(zhì)中的離子大小決定的，其值小于10埃。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級(jí)電容有很大的電容量。一個(gè)超級(jí)電容單位的電容值，可以從一法拉至幾千法拉。
超級(jí)電容作為一種新型儲(chǔ)能裝置，具有超級(jí)儲(chǔ)電能力。在儲(chǔ)能機(jī)理上，它是高度可逆的，壽命很長(zhǎng)，可以千萬(wàn)次反復(fù)地沖、放電，而且具有很大的電流，此外具有很寬的電壓范圍和工作溫度范圍。它兼具傳統(tǒng)電容器的大電流快速充放電特性與電池的儲(chǔ)能特性，填補(bǔ)了普通電容器與電池之間的比能量與比功率空白，其放電比功率較蓄電池高近十倍，彌補(bǔ)了鋁電解電容和可充電電池之間的技術(shù)缺口，同時(shí)又克服了兩者的缺陷，既具有電池的能量貯存特性，又具有電容器的功率特性，它比傳統(tǒng)電解電容器的能量密度高上千倍，可達(dá)1000W/kg數(shù)量級(jí)，而漏電流小數(shù)千倍。具有高至數(shù)千法拉甚至上萬(wàn)法拉的超大電容量，儲(chǔ)電能量大、時(shí)間長(zhǎng)；能夠瞬間釋放數(shù)百至數(shù)千安培電流，大電流放電甚至短路也不會(huì)對(duì)其有任何影響；可充放電10萬(wàn)次以上而不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長(zhǎng)達(dá)十年以上?？捎糜谝詷O大電流瞬間放電的工作狀態(tài)，而不易產(chǎn)生發(fā)熱著火等現(xiàn)象；且充電時(shí)間很短，可在幾秒之內(nèi)完成，是一種理想的大功率二次電源。它可在極低溫等極端惡劣的環(huán)境中使用，并且無(wú)環(huán)境污染。具有安全可靠、適用范圍寬、綠色環(huán)保、易維護(hù)等特點(diǎn)，是改善和解決電能動(dòng)力應(yīng)用的突破性元器件。
超級(jí)電容電阻很小：采取特別工藝措施，保證其ESR（等效串聯(lián)電阻）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它電容的ESR。具有動(dòng)力儲(chǔ)存性能的超級(jí)電容很小的ESR，意味著高速率充放電情況下有很大的功率儲(chǔ)存能力。
超級(jí)電容壽命超長(zhǎng)：超級(jí)電容可以有成千上萬(wàn)次沖放電循環(huán)，而蓄電池只有幾百次循環(huán)。超級(jí)電容可以頻繁地釋放能量脈沖而不會(huì)有有害的后果，但蓄電池如果頻繁地釋放能量脈沖就會(huì)降低壽命。
超級(jí)電容安全可靠：在其額定電壓范圍內(nèi)可以任意充電至任意電壓值，而放電時(shí)可以放出所儲(chǔ)存的全部能量，失效開(kāi)路，過(guò)電壓不擊穿，安全可靠。
超級(jí)電容儲(chǔ)能巨大：與同樣大小的傳統(tǒng)電容相比，超級(jí)電容所儲(chǔ)存的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)電容所儲(chǔ)存的電能。
超級(jí)電容充電快速：可以快速充電和大電流充電，10秒鐘內(nèi)達(dá)到額定容量的95%；充電時(shí)間短；充放電能力強(qiáng)；對(duì)充放電電路要求簡(jiǎn)單。
二、新材料催生高端新產(chǎn)品
從結(jié)構(gòu)上看，超級(jí)電容器主要由電極、電解質(zhì)、隔膜、端板、引線和封裝材料組成，其中電極、電解質(zhì)和隔膜的組成和質(zhì)量對(duì)超級(jí)電容器的性能起著決定性的影響，采用何種電極板和電解質(zhì)材料將基本決定最終產(chǎn)品的類型與特性。
2007年1月16日，美國(guó)得州一家研制電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能裝置、名為EEStor的公司打破沉默，對(duì)外宣告了他們“里程碑”式的成果：他們的自動(dòng)生產(chǎn)線已經(jīng)由獨(dú)立的第三方分析驗(yàn)收，其產(chǎn)品的關(guān)鍵物質(zhì)鋇鈦酸鹽粉末已經(jīng)完成了最初的純化，純度達(dá)到了99.9994%。
這一技術(shù)一旦進(jìn)入成熟的工業(yè)生產(chǎn)，他們所研制的新型超級(jí)電容器動(dòng)力系統(tǒng)將替代包括從電動(dòng)汽車(chē)到筆記本電腦的一切電化學(xué)電池。
人們最初懷疑EEStor公司這一揚(yáng)言的可信度，但現(xiàn)在看來(lái)，他們還真不太像是在“吹牛”。
按照2006年4月發(fā)表的專利，EEStor這種能量存儲(chǔ)裝置是用陶瓷粉末涂在鋁氧化物和玻璃的表面。從技術(shù)上說(shuō)，它并不是電池，而是一種超級(jí)電容器，它在5分鐘內(nèi)充的電能可以讓一個(gè)電動(dòng)車(chē)走500英里，電費(fèi)只有9美元。而燒汽油的內(nèi)燃機(jī)車(chē)走相同里程則要花費(fèi)60美元。
與傳統(tǒng)的電化學(xué)電池相比，超級(jí)電容器有很多好處。它可以無(wú)限制地接受無(wú)數(shù)次放電和充電，換句話說(shuō)，超級(jí)電容器沒(méi)有“記憶”。但是，一般的超級(jí)電容器也有其弱點(diǎn)，就是能量存儲(chǔ)率有限，今天市場(chǎng)上的高端超級(jí)電容器每磅的存儲(chǔ)能量只有鋰電池的1/25。
而EEStor開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容器，由于鋇鈦酸鹽有足夠的純度，存儲(chǔ)能量的能力大大提高。EEStor公司負(fù)責(zé)人聲稱，該超級(jí)電容器每公斤所存儲(chǔ)的能量可達(dá)0.28千瓦時(shí)，相比之下，每公斤鋰電池是0.12千瓦時(shí)，鉛酸電池只有0.032千瓦時(shí)，這就讓超級(jí)電容器有了可用在從電動(dòng)車(chē)、起搏器到現(xiàn)代化武器等多種領(lǐng)域的可能。
好的鉛酸電池能充電500～700次，而根據(jù)EEStor的聲明，新的超級(jí)電容器可反復(fù)充電100萬(wàn)次以上，也不會(huì)出現(xiàn)材料降解問(wèn)題。而且，由于它不是化學(xué)電池，而是一種固體狀態(tài)的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，不會(huì)出現(xiàn)鋰電池那種過(guò)熱甚至爆炸的危險(xiǎn)，沒(méi)有安全隱患。
早在2004年5月，EEStor公司就聲稱，他們已經(jīng)制造出一種每千瓦時(shí)的成本價(jià)格是鉛酸電池的一半、能量?jī)?chǔ)存率是鉛酸電池10倍的超級(jí)電容器。這種產(chǎn)品重約336磅(153公斤)，可以儲(chǔ)存52千瓦時(shí)的能量，這種系統(tǒng)將戲劇性地從能量密度、價(jià)格到充電時(shí)間和安全性上都超過(guò)目前市場(chǎng)的鋰電池。這種技術(shù)是以鋇鈦酸鹽為電介質(zhì)的一個(gè)基本平行板電容器，制造這種陶瓷電池-超級(jí)電容器技術(shù)系統(tǒng)不需要有毒材料和化學(xué)物質(zhì)。
EEStor的雄心來(lái)自其“替代電氣化學(xué)電池”的專利。EEStor在2004年就開(kāi)始計(jì)劃建造自己的裝配線，進(jìn)而獲得批量生產(chǎn)的技術(shù)許可。從他們的計(jì)劃看，其裝置在生產(chǎn)成本上也有可能比傳統(tǒng)鋰電池更具有優(yōu)勢(shì)。
有評(píng)論說(shuō)，這一發(fā)明的意義相當(dāng)重大，該突破不僅從根本上改變了電動(dòng)車(chē)在交通運(yùn)輸中的位置，也將改進(jìn)諸如風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源的利用性能，增進(jìn)了電網(wǎng)的效率和穩(wěn)定性，滿足人們能源安全的需求，減少對(duì)石油的依賴。
顯然，該突破也對(duì)下一代鋰電池的研制者造成威脅。EEStor公司負(fù)責(zé)人暗示，他們的技術(shù)不僅適用于小型旅客電動(dòng)車(chē)，還可能取代300馬力的大型汽車(chē)。
三、國(guó)內(nèi)外研發(fā)態(tài)勢(shì)
目前全球已有上千家超級(jí)電容器生產(chǎn)商,可以提供多種類的超級(jí)電容器產(chǎn)品,但大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結(jié)構(gòu)。
超級(jí)電容器在結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似,它們的主要區(qū)別在于電極材料。早期的超級(jí)電容器的電極采用碳,碳電極材料的表面積很大,電容的大小取決于表面積和電極的距離,這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離,使超級(jí)電容器的容值可以非常大,大多數(shù)超級(jí)電容器可以做到法拉級(jí),一般情況下容值范圍可達(dá)1-5000F。
超級(jí)電容器也可以分為兩類:一類以活性炭材料為電極,以電極雙電層電容的機(jī)制儲(chǔ)存電荷,通常被稱作雙電層電容器(DLC)；另一類以二氧化釕或者導(dǎo)體聚合物等材料為陽(yáng)極,以氧化還原反應(yīng)的機(jī)制存儲(chǔ)電荷,通常被稱作電化學(xué)電容器。
超級(jí)電容器根據(jù)制造工藝和外形結(jié)構(gòu)可劃分為鈕扣型、卷繞型和大型三種類型,三者在容量上大致歸類為5F以下、5-200F、200F以上。鈕扣型產(chǎn)品具備小電流長(zhǎng)時(shí)間放電的性能,可用在小功率電子產(chǎn)品及電動(dòng)玩具產(chǎn)品中做電源,或在帶時(shí)鐘的產(chǎn)品應(yīng)用上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),如錄音機(jī)、MP3、家用電器、汽車(chē)音響等。而卷繞型和大型產(chǎn)品則多用于大電流短時(shí)放電,在有記憶儲(chǔ)存功能的電子產(chǎn)品中做后備電源,注重?cái)?shù)據(jù)保護(hù)和備份,適用于帶CPU的智能家電、工控和通訊領(lǐng)域中的存儲(chǔ)備份部件。
超級(jí)電容器按電極結(jié)構(gòu)可分為以下三類：
1、碳-碳雙極板對(duì)稱結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器
正負(fù)電極采用了超大比表面積材料，這種超級(jí)電容器儲(chǔ)能方式屬于靜電儲(chǔ)能，能量?jī)?chǔ)存與釋放不涉及伴隨質(zhì)量轉(zhuǎn)移的氧化還原過(guò)程，能量?jī)?chǔ)存與釋放速度很快，時(shí)間常數(shù)小，充放電次數(shù)可達(dá)到50萬(wàn)次，該類電容器目前主要應(yīng)用于瞬時(shí)高功率輔助。
2、過(guò)渡金屬氧化物超級(jí)電容器
電極反應(yīng)是以快速法拉第氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)，絕大多數(shù)電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生在固體電極的表面或表面附近的薄層內(nèi)。儲(chǔ)存容量通常比雙電層材料大很多，其能量密度較高，此類超級(jí)電容器目前還處在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段，作為電極材料的各種過(guò)渡金屬氧化物和聚合物制作工藝及最佳特性還在摸索過(guò)程中。
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評(píng)論