新世紀(jì)突破性電源超級(jí)電容器風(fēng)行世界
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
超級(jí)電容器自面市以來，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、混合燃料汽車、特殊載重汽車、電力、鐵路、通訊、國防、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，被世界各國所廣泛關(guān)注。
世界著名科技期刊美國《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)電容器是能量儲(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來的方式儲(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，可以千萬次反復(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)千法拉甚至上萬法拉的超大電容量，儲(chǔ)電能量大、時(shí)間長；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10萬次以上而不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長達(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：超級(jí)電容可以有成千上萬次沖放電循環(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，失效開路，過電壓不擊穿，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，美國得州一家研制電動(dòng)汽車儲(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，他們還真不太像是在“吹?！薄?
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，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)車走500英里，電費(fèi)只有9美元。而燒汽油的內(nèi)燃機(jī)車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。它可以無限制地接受無數(shù)次放電和充電，換句話說，超級(jí)電容器沒有“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、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100萬次以上，也不會(huì)出現(xiàn)材料降解問題。而且，由于它不是化學(xué)電池，而是一種固體狀態(tài)的能量儲(chǔ)存系統(tǒng)，不會(huì)出現(xiàn)鋰電池那種過熱甚至爆炸的危險(xiǎn)，沒有安全隱患。
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、能量儲(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的雄心來自其“替代電氣化學(xué)電池”的專利。EEStor在2004年就開始計(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，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)車在交通運(yùn)輸中的位置，也將改進(jìn)諸如風(fēng)能、太陽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，還可能取代300馬力的大型汽車。
三、國內(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，能量儲(chǔ)存與釋放不涉及伴隨質(zhì)量轉(zhuǎn)移的氧化還原過程，能量儲(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50萬次，該類電容器目前主要應(yīng)用于瞬時(shí)高功率輔助。
2、過渡金屬氧化物超級(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)室開發(fā)階段，作為電極材料的各種過渡金屬氧化物和聚合物制作工藝及最佳特性還在摸索過程中。
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評(píng)論