超級電容器的儲能特性及應用前景
——評《超級電容器:材料、系統及應用》

黃亞萍

(江陰市華姿中等專業學校,江蘇 無錫 214401)

隨著自動化、信息化、智能化的發展,社會對能源的需求越來越大。電能是現代社會清潔、便利的能源之一,用戶對電力系統的穩定性要求不斷提高。超級電容器是一種介于化學電池和普通電容器之間的儲能元件,特點是功率密度高、不需要維護、安全環保、循環壽命長、使用溫度范圍寬(-40～75℃)等,經濟性、安全性、靈活性大大提高,已經在電動汽車、航空航天、現代通信和電力電子系統等領域廣泛應用。法國弗朗索瓦等著、張治安譯的《超級電容器:材料、系統及應用》一書,對超級電容器的儲能特性及在儲能系統中的應用進行了全面的歸納和系統的總結。

本書共14章,第1～3章分別介紹電化學的基礎知識、超級電容器概述以及電化學分析技術;第4～6章分別介紹雙電層電容器及電極材料、雙電層的電化學理論,以及贗電容及電極材料;第7、8章介紹水系介質和有機介質中的混合電容器及非對稱電容器;第9章介紹離子液體型超級電容器;第10～13章分別介紹超級電容器的產業化制造、模型、測試以及可靠性分析;第14章介紹超級電容器的應用。

1 超級電容器的儲能原理和分類

超級電容器與電池類似,由電解質、電極、集流體和隔膜等單元組成,內在結構由多個單體串聯或并聯構成組件。根據電極材料的不同,可以分為電化學電容器和雙電層電容器。電化學電容器即贗電容,工作原理是氧化還原反應,利用價態的變化將電子進行轉移,完成電荷存儲,功率密度比蓄電池高,能量密度比傳統的靜電電容器高,容量可達幾百甚至上千法拉。雙電層電容器通過電極/電解質界面的電荷分離存儲能量,屬于純粹的物理過程,功率密度較高,可在短時間內完成充放電。在相同的電極面積下,電化學電容器能夠儲存比雙電層電容器多10～100倍的電荷。本質上,兩者的區別就是是否產生感應電流。

超級電容器的分類很豐富。按電解液的狀態形式,可分為固體電解質和液體電解質超級電容器;按電解液的種類,可分為有機系和水系超級電容器;按電極的儲能機理,可分為對稱式和非對稱式超級電容器;按組裝結構方式,可分為卷繞式、軟包裝、紐扣式和可穿戴柔性超級電容器等。

2 電極材料的制備和性能

超級電容器的性能主要與電極材料和電解質有關,包括充放電的速度、功率和能量密度、循環使用次數、電阻等。超級電容器的電極材料主要有過渡金屬氧化物、導電聚合物和碳系列材料。碳系列材料是目前運用普遍、商業價值高的電極材料,主要包括活性炭、碳纖維、石墨、石墨烯和碳納米管等,優點是價格低廉易得、性能穩定、導電率高、強度高、耐腐蝕和高溫、形態豐富(如粉末、顆粒、纖維等),缺點是比電容和能量密度低?；钚蕴坑捎谏a成本低、堆積密度小,可用于制造優質的電極材料。常用的金屬化合物電極材料主要包括氫氧化物、氧化物和碳化物,如氧化鎳(NiO)、二氧化錳(MnO2)、氫氧化鎳[Ni(OH)2]、氫氧化鈷[Co(OH)2]、碳化鈦(TiC)、氧化鈷(Co3O4)和五氧化二釩(V2O5)等。二氧化釕(RuO2)的應用價值非常高,但是成本高、環境污染大,因此沒有大規模應用;而NiO由于具有理論容量高、價格低廉、環保、在堿性溶液中穩定性好等優點,應用更加廣泛。導電聚合物的優點是導電性良好、功率密度高、能量密度高、內阻低、價格低和環境友好等,作為電極材料,很有發展潛力。常見的導電聚合物有聚苯胺、聚噻吩等。

超級電容器電極材料的常見制備方法有氣相沉積法、溶膠-凝膠法、化學共沉淀法。制備電極材料首先要進行預處理和材料改性。預處理是使用表面組裝(超聲波分散)、強酸處理、球磨和電化學處理等方法,將材料進行純化,將表面處理潔凈并使材料處于活性狀態,以此來恢復材料內部和表面的差別。材料改性則是使用各種物理化學加工方式來提高材料的光學、電學和力學等性能,強化材料的自有屬性。

3 超級電容器儲能特性

當前的電容器體積在不斷縮小,質量也在不斷朝著輕質化發展,因此對封裝的要求也越來越高。封裝的形式也隨著成品的需求而不斷更改。如10μF/400 V電解電容器,以往蠟管封裝需用Φ25.0 mm×60.0 mm,在20年前,同規格的同向引線式電解電容器約需要Φ12.5 mm×60.0 mm,但現在僅需要Φ10.0 mm×16.0mm,甚至尺寸可小到Φ8.0 mm×16.0 mm或Φ10.0 mm×12.5 mm。電容相對脆弱,尤其需要注意對其保護,這對電容器的封裝提出了更高的要求,因此封裝對電容器來說非常重要。合理的封裝可以延長超級電容器的使用壽命,能夠確保安全穩定工作,提高市場競爭力。

該書簡要介紹了超級電容器的儲能特性。從電容器存儲能量的計算公式(E=C×U2/2)可知,提高電容器存儲的能量E,可以通過提高工作電壓U和電容量C的方法來實現。一般的水性電解液工作電壓不高于1.2 V,有機電解液則不高于3.0 V。實際工作對電壓的需求很高,需要串聯大量的單元達到額定電壓,但由于各單元電壓分布不一致,可能導致局部擊穿,需引入均壓裝置,這會降低設備的靈活性,增加產品成本和減少電容器使用壽命,因此,要想實現大功率輸出,就要提高單體的工作電壓。

4 超級電容器的應用前景

在國外已有相當多的公司或機構在從事超級電容器方面的研究與創新,部分公司還實現了產品的商業化。目前,美、日、韓及歐洲等對超級電容器的應用進行了研究。這些國家和地區的超級電容器產品在質量、功率、價格等方面各有自己的特點和優勢。另外,澳大利亞、印度以及歐洲的許多國家也在超級電容器的研發和產業化方面進行了研究。

我國超級電容器的研究起步于20世紀80年代,目前國內對使用各種活性炭作為電極材料的超級電容器已經進行了一定的研究,并且應用于商業。我國非常重視超級電容器的發展,國家高技術研究發展計劃(863計劃)中的電動汽車重大專項,把超級電容器作為一個重點項目進行研究開發。超級電容器在我國經歷了從無到有、從小到大的發展過程,在通信、工業、交通和醫療器械等領域的應用已逐漸成熟、廣泛,展現出了一定的優越性?？傮w而言,超級電容器的應用方向可分為小功率電子設備的主電源、替換電源或備用電源。主電源的典型應用有電動玩具,優勢是質量輕、體積小、功率密度大和能夠迅速啟動;替換電源的典型應用有交通信號燈、太陽能手表、路標燈和公交車站時間表燈等;后備電源的典型應用有無線電波接收器、車載計費器、車載計量器和照相機等。

目前,新能源車的開發在世界范圍內都是熱門方向?；旌想妱悠嚭碗妱悠囉贸夒娙萜鞯膲勖蛇_傳統的蓄電池和鋰離子電池等的數百倍,且不需要維護,因此可以節省大量的費用?；旌蟿恿ζ囋谡＿\行時使用電池,在加速和爬坡等需要瞬時大功率時用超級電容器來補充功率,因此,配備了超級電容器的汽車加速快、起步快、爬坡能力強,同時因為工作溫度范圍寬,低溫環境下性能良好,可以解決低溫情況下電池難以啟動汽車的問題,從而提高駕駛體驗。在交通領域中,超級電容器還被應用于城市公交汽車、有軌電車和地鐵等重型城市交通車輛。公交車在行駛過程中需要頻繁啟停,會造成大量的動能浪費,并產生較多的污染尾氣,超級電容器作為公交車動力源,可以對制動能量進行回收,提高經濟性、環保性。

電力系統因環境復雜、分布范圍廣,受環境的影響較大,輸出功率有明顯的波動性和隨機性。超級電容器非常適合做電力系統的儲能裝置,可以在直流母線電流受到干擾而發生波動時,吸收母線波紋峰值功率以調節功率輸出,給電網提供平滑的功率輸出。

在工業領域,工業生產的體量越來越大,如在港口、建筑和礦業等領域應用廣泛的起重機械,工作時會釋放大量的重力勢能,是高耗能設備,如果可以回收這部分能量,可以起到很好的節能作用,因此采用超級電容器作為儲能裝置是常用的方法。

5 結語

新能源產業和現代電力系統發展的關鍵技術就是儲能,要搶占未來能源領域,就要加快相關產品的研發和產業化、市場化應用。隨著環境保護重要性的提高、傳統能源的緊缺、傳統燃料價格的上漲,超級電容器的應用前景良好。

《超級電容器:材料、系統及應用》一書結合理論和實際應用,詳細介紹了超級電容器在過去的幾十年間取得的巨大的發展和未來的應用前景,梳理了超級電容器的結構、材料、性能等。該書內容詳實、圖文豐富,可供超級電容器研究人員和技術人員以及高等院校新能源材料與器件、化學電源等相關專業教師和學生學習參考。

書名:超級電容器:材料、系統及應用(國際電氣工程先進技術譯叢)

作者:(法)弗朗索瓦 等著,張治安 譯

ISBN:9787111473602

出版社:機械工業出版社

出版時間:2014-10-01

定價:￥118.00元