超級(jí)電容器在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用探析

林詩(shī)雅

摘 要：在這個(gè)科技蓬勃迅猛發(fā)展的新時(shí)代，針對(duì)能源過(guò)分開(kāi)發(fā)使用如今面臨不可再生資源嚴(yán)重匱乏的問(wèn)題展開(kāi)論述。從務(wù)實(shí)的環(huán)保角度出發(fā)，具體而詳細(xì)地闡述超級(jí)電容器在這個(gè)人類(lèi)面對(duì)巨大生存危機(jī)的時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)超級(jí)電容器的基本工作原理進(jìn)行解釋。進(jìn)一步把新能源汽車(chē)和它順應(yīng)科技進(jìn)步進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。文章不僅從理論層面進(jìn)行了詳細(xì)闡述同事也從實(shí)際相結(jié)合的角度出發(fā)，解析了新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)里的超級(jí)電容器的應(yīng)用情況，希望可以為超級(jí)電容器在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器 工作原理 新能源產(chǎn)業(yè)

Application Analysis of Supercapacitors in New Energy Vehicles

Lin Shiya

Abstract：In this new era of rapid development of science and technology， this paper discusses the problem of excessive development and use of energy， which is now facing the serious shortage of non-renewable resources. From the perspective of pragmatic environmental protection， this paper specifically and in detail expounds the development trend of supercapacitors in this era of huge survival crisis for human beings， and explains the basic working principle of supercapacitors. Further the article combines new energy vehicles with its compliance with scientific and technological progress. The article not only elaborates on the theoretical level， but also analyzes the application of supercapacitors in the new energy vehicle industry from the perspective of combining practice， hoping to play a reference role for the application of supercapacitors in new energy vehicles.

Key words：supercapacitors， working principle， new energy industry

1 超級(jí)電容器的簡(jiǎn)介

一般情況下，超級(jí)電容是由兩個(gè)串聯(lián)而成的電容量相等的單元組成，一個(gè)是超級(jí)電容器單體，另一個(gè)就是電極材料——炭材料，它們之間通過(guò)導(dǎo)電劑連接在一起。一般電池電超級(jí)電容器的容量可達(dá)10kw/kg或更大，沒(méi)有一般電池可比。這與超級(jí)電容器在電化學(xué)上的優(yōu)異表現(xiàn)有著很大的關(guān)系。主要原因是超級(jí)電容器在采用多孔碳材料作為電極時(shí)，在儲(chǔ)存能量過(guò)程中，沒(méi)有任何化學(xué)反應(yīng)，且屬純物理過(guò)程，電荷被吸附或者脫附得尤為迅速此時(shí)可理解為其充放電速度尤其迅速，并能維持大電流的輸入和輸出。[1]

從2007年到現(xiàn)在新能源電動(dòng)車(chē)的種類(lèi)不斷增加。其中最常見(jiàn)的就是混合動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)車(chē)中的超級(jí)電容與鋰電池的配合使用，這也成了當(dāng)今電動(dòng)車(chē)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。以超級(jí)電容器為啟動(dòng)電源，同時(shí)，爬坡過(guò)程中充當(dāng)動(dòng)力電源，高效回收剎車(chē)過(guò)程中的能量，電池承擔(dān)著長(zhǎng)程續(xù)航的責(zé)任，這一結(jié)合就是很合理的結(jié)合，上述均屬超級(jí)電容器，應(yīng)用前景很好。[2]

1.1 超級(jí)電容器的工作原理

十九世紀(jì)末，Helmhotz等雙電層理論，在對(duì)應(yīng)模式下得出結(jié)論，溶液中不規(guī)則分布的離子在金屬表面產(chǎn)生凈電荷，遠(yuǎn)離電極的某一位置，所吸引離子排列成界面層，在這個(gè)進(jìn)程中，界面層上的電荷和電極表面上電荷的量是同一符號(hào)的相反方向，將形成雙電層。雙電層電容器結(jié)構(gòu)組成如圖1

其構(gòu)成是電極溶液界面內(nèi)聚集的所有電荷，其電位施加范圍內(nèi)不產(chǎn)生法拉第反應(yīng)。

這里極化過(guò)程包括兩種：

（1）電荷傳遞極化

（2）歐姆電阻極化。

充放電原理是：在給溶液加電場(chǎng)之后，其中有離子發(fā)生遷移，正負(fù)電極各自集聚陰陽(yáng)離子，這時(shí)雙電層就形成了；當(dāng)負(fù)極板上吸附有正電荷或負(fù)電荷顆粒，由于靜電斥力作用使其向外移動(dòng)，同時(shí)也將負(fù)電位粒子排斥在外。當(dāng)所加電場(chǎng)取消時(shí)，正負(fù)電荷將和相反電荷離子互相吸引，從而形成電位差。該效應(yīng)稱(chēng)為電化學(xué)充電或極化作用，它導(dǎo)致了溶液內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)和能量傳遞的變化，從而使電流密度增加。而電流產(chǎn)生來(lái)源于外電路和兩極連通過(guò)程中電荷的遷移，離子在溶液中遷移，呈現(xiàn)電中性。該研究發(fā)現(xiàn)在電池放電過(guò)程中該材料可將鋰離子從負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極，且能夠有效提高鋰離子利用率和延長(zhǎng)使用壽命。該充放電過(guò)程為純物理過(guò)程，從而能達(dá)到較高充放電效率，但循環(huán)壽命稍長(zhǎng)，這些優(yōu)勢(shì)均利于它在新能源汽車(chē)上的推廣應(yīng)用。[3]

1.2 超級(jí)電容器的主要特點(diǎn)

超級(jí)電容器是新型儲(chǔ)能元件，定位在傳統(tǒng)電容器與電池之間，他提供的比能量相較前者更高，提供的比功率相較后者更高，除此之外，它還擁有比兩者更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）可以容納的能量很高。同體積超級(jí)電容器的容量是電解電容器的2K～6K倍。功率密度高。相較于電池，可提供瞬間大電流，電流強(qiáng)度可達(dá)上百甚至上千安培，且功率密度達(dá)到10×10W/kg，是電池的十到一百倍。相較于需要耗費(fèi)三到五小時(shí)時(shí)間進(jìn)行充電的化學(xué)電池，超級(jí)電容是三秒到15分鐘，這對(duì)比非常大。[4]

（2）壽命長(zhǎng)且充放電效率高。通常而言，在使用過(guò)程中，材料結(jié)構(gòu)不會(huì)因充放電受到影響，因此其使用壽命的長(zhǎng)短也不會(huì)受循環(huán)次數(shù)影響。

（3）使用溫度范圍寬，達(dá)－40～+80℃。電極材料反應(yīng)速率對(duì)溫度高低改變所造成的影響不太敏感，比如大卡車(chē)低溫啟動(dòng)。

（4）綠色環(huán)保能源。它具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)沒(méi)有負(fù)面影響，更不會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，是一種健康綠色的能源。

1.2.2 缺點(diǎn)

超級(jí)電容器雖然有著明顯的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，但不意味著它就是完美無(wú)缺的。

與蓄電池相比，以前的其能量密度很低，只能通過(guò)體積的堆積來(lái)彌補(bǔ)。直到2007年在那個(gè)時(shí)期，中國(guó)很多地區(qū)都在大力推廣新能源汽車(chē)，混合動(dòng)力客車(chē)很快就在滿街跑了，但是這卻還是沒(méi)有從根本上解決能量密度低的問(wèn)題，到了2017年，能源汽車(chē)基本上已經(jīng)全面采用了純電動(dòng)模式，鋰電池的技術(shù)的發(fā)展也日新月異，無(wú)論是功率密度還是循環(huán)壽命都有了很大的進(jìn)步，成本的控制也得到了進(jìn)一步的降低，在這競(jìng)爭(zhēng)激烈的十年里，maxwell研究出了干電池技術(shù)，這種技術(shù)能將超級(jí)電容器的能量密度提高到300Wh/kg。

2 超級(jí)電容器構(gòu)成

2.1 電極材料技術(shù)

碳材料作為常用的電極材料，它的技術(shù)成熟，價(jià)格有優(yōu)勢(shì)，得到了很好的商業(yè)化。

在眾多種類(lèi)的碳材料當(dāng)中，石墨烯的優(yōu)勢(shì)很明顯，首先石墨烯有非常大的比表面積，而且不需要如此依賴(lài)孔的分布，它的表面和層片結(jié)構(gòu)十分利于加快離子的脫附吸附速率，并且他有非常不錯(cuò)的導(dǎo)電性。綜上所述，這些優(yōu)勢(shì)讓它能廣泛地應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料當(dāng)中。

除了石墨烯，制作電極的常見(jiàn)材料還有具備較高比熱容的過(guò)渡金屬氧化物，這一特性是選用此類(lèi)材料的主要原因。舉個(gè)例子，比如二氧化錳，它價(jià)格低廉且沒(méi)有毒，在電解液和電極界面快速發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，因此其應(yīng)用很受關(guān)注。[5]

2.2 電解液的分類(lèi)

超級(jí)電容器電解液進(jìn)行分類(lèi)時(shí)一般分為以下幾種，分別是水系、離子、固體及凝膠以及有機(jī)電解液。

水系電解液又被稱(chēng)之為酸性電解液（H2SO4水溶液體系），堿性電解液（KOH水溶液體系），中性電解液（KCL水溶液體系）。

缺點(diǎn)：分解電壓低、低溫性能差、電化學(xué)窗口窄。

優(yōu)點(diǎn)：低內(nèi)阻和高電導(dǎo)率。

離子液體電解液是完全由離子組成的，因?yàn)殛庩?yáng)離子和空間阻礙使其具有較低的離子靜電勢(shì)。

優(yōu)點(diǎn)：較高的電導(dǎo)率和電化學(xué)窗口寬，且具有不揮發(fā)、不爆炸、無(wú)蒸氣壓的特點(diǎn)，

缺點(diǎn)：粘度過(guò)高，且材料成本較高。

對(duì)于固體或凝膠電解液，固體電解質(zhì)或凝膠聚合物電解質(zhì)由聚合物、電解質(zhì)鹽、低分子有機(jī)溶劑組成。

缺點(diǎn)：電導(dǎo)率和溶解度較低，電極電解質(zhì)間接觸差。

優(yōu)點(diǎn)：表現(xiàn)在較高的工作電壓和比能量。

有機(jī)電解液主要是超級(jí)電容器用離解能力較強(qiáng)的有機(jī)溶劑，生成高電導(dǎo)率電解質(zhì)和少量添加劑構(gòu)成，提高電容器性能。目前使用最多的是有機(jī)溶劑碳酸和電解質(zhì)添加劑。無(wú)機(jī)溶劑碳酸有丙烯酯（PC）乙腈（AN）等，所述電解質(zhì)為四氟硼酸四乙基氨、雙草酸硼酸鋰及其他；添加劑有磷酸三丁酯等。添加劑包括導(dǎo)電添加劑阻燃劑和過(guò)充保護(hù)劑。

優(yōu)點(diǎn)：工作電壓較高，工作溫度范圍寬；

缺點(diǎn)：電導(dǎo)率較低，溶劑易揮發(fā)。

3 超級(jí)電容器在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用模式

3.1 純電動(dòng)力模式

該模式策略以超級(jí)電容器電源電機(jī)為主，電機(jī)在汽車(chē)行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，在制動(dòng)時(shí)則轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)回收能量。該模式的汽車(chē)就是僅通過(guò)電力來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，因此這種電動(dòng)車(chē)的原理相對(duì)簡(jiǎn)單且能夠?qū)崿F(xiàn)0排放。但是由于這種車(chē)型需要依賴(lài)充電樁進(jìn)行充電，且完成充電需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，它的續(xù)航能力較差，充滿電可以行駛的距離比較短，適用于在城市中作為代步工具。

純電動(dòng)力模式以可見(jiàn)光區(qū)域與近紅外區(qū)域互補(bǔ)吸收較好的鈣鈦礦材料與有機(jī)太陽(yáng)材料為活性層材料，分別應(yīng)用于后電池與前電池中，以及全溶液處理方法，制備出兩個(gè)末端疊層太陽(yáng)能電池，它有17.16%光電轉(zhuǎn)化效率，開(kāi)路電壓為1.64V。同時(shí)使用了新型正極及固態(tài)聚合物電解質(zhì)，制備出具有大電壓窗口，優(yōu)良循環(huán)穩(wěn)定性的全固態(tài)不對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器。由全溶液處理高導(dǎo)電率有機(jī)聚合物薄膜聯(lián)接而成，成功實(shí)現(xiàn)了疊層太陽(yáng)能電池和全固態(tài)非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器的集成，配制出一種便攜式便攜，無(wú)導(dǎo)線連接自充電電源組。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的自充電電源具有較好的能量密度、良好的倍率特性、較長(zhǎng)的放電時(shí)間及穩(wěn)定的充放電性能等優(yōu)點(diǎn)。所述自充電電源組能夠?qū)⑻?yáng)能電池轉(zhuǎn)換后的太陽(yáng)能直接存儲(chǔ)于超級(jí)電容器內(nèi)，以供新能源汽車(chē)充電。

3.2 混合動(dòng)力模式

此模型在應(yīng)用過(guò)程中，超級(jí)電容器在發(fā)動(dòng)機(jī)中起輔助作用。當(dāng)汽車(chē)啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后經(jīng)過(guò)逆變器變成直流輸出到電動(dòng)機(jī)上。汽車(chē)啟動(dòng)后，車(chē)速若達(dá)不到設(shè)定值，然后由電機(jī)分別帶動(dòng)。若車(chē)輛在運(yùn)行途中遇到路面狀況較差的時(shí)候，可以啟動(dòng)超級(jí)電容器，通過(guò)超級(jí)電容器為電動(dòng)機(jī)提供電能。行車(chē)途中，速度達(dá)到設(shè)定值后電機(jī)停機(jī)，這時(shí)的車(chē)是以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，在該工藝中多余功率將對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電。在車(chē)輛停止后，超級(jí)電容器可以自動(dòng)向蓄電池放電。

想要在新能源汽車(chē)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)揮，相應(yīng)的技術(shù)還需要更進(jìn)一步。從當(dāng)前來(lái)看，超級(jí)電容的應(yīng)用還止步于輔助功能，電池才是主動(dòng)力，包括燃料電池汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)在內(nèi)，用于能量?jī)?chǔ)存的設(shè)備還是電池。而超級(jí)電容則是作為其補(bǔ)充和輔助，在使用過(guò)程中起到緩沖的作用，同時(shí)幫助延長(zhǎng)電池壽命，增強(qiáng)充放電效果。雖然超級(jí)電容在能量領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)得到了眾多汽車(chē)制造商的普遍認(rèn)可，但是就當(dāng)前而言，對(duì)于鋰電池和鎳氫電池的依賴(lài)還是不能擺脫食物，因?yàn)槌?jí)電容器有兩個(gè)不可忽視的缺點(diǎn)一個(gè)是造價(jià)高，一個(gè)是能量密度低。

在電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部，借助經(jīng)濟(jì)有效的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，幾種可再生能源可集成在一起，進(jìn)而提高效率。超級(jí)電容是一種由電極材料構(gòu)成的電化學(xué)裝置，它將電能轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)存在電解液中的能量，并以類(lèi)似蓄電池的形式被存儲(chǔ)于超級(jí)電容器中。其中相對(duì)燃料電池及電化學(xué)電池而言，超級(jí)電容器有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如功率密度高、充電時(shí)間縮短，循環(huán)壽命延長(zhǎng)。此外，由于它比傳統(tǒng)汽車(chē)中使用的蓄電池體積更大，因此能夠降低車(chē)輛重量。頂棚上利用光伏電池采集太陽(yáng)能的現(xiàn)象十分普遍。這些技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于諸如純電動(dòng)客車(chē)等大型車(chē)輛上。但是，使用相同的裝置存儲(chǔ)這種能源，或者將會(huì)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)方面改變規(guī)則。太陽(yáng)能超級(jí)電容器是一種用于收集和儲(chǔ)存太陽(yáng)能的電容器。它可以通過(guò)與鋰離子一樣的化學(xué)鍵結(jié)合到金屬負(fù)極上而獲得巨大容量。在超級(jí)電容器領(lǐng)域，碳材料作為電極材料應(yīng)用最為廣泛，碳纖維（CF）已被證明是雙電層電容器（EDLC）的最佳候選材料。得益于一維性，CF在電荷輸運(yùn)方面表現(xiàn)出優(yōu)越的特性，由于它的纖維表面有許多氣孔，對(duì)離子吸附能力強(qiáng)。CF，環(huán)氧樹(shù)脂（ER）和其他導(dǎo)電聚合物，結(jié)合金屬氧化物，如ZnO/CuO，這種結(jié)合可以作為高性能SSC電極使用。

3.3 綠色環(huán)保模式

在國(guó)內(nèi)，安凱是能源客車(chē)的領(lǐng)先品牌，該品牌在新能源的核心技術(shù)研發(fā)上投入了大量的人力和物力，它采用的是鋰離子電池超級(jí)電容器動(dòng)力體系。是我國(guó)唯一的電動(dòng)客車(chē)整車(chē)系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心，目前，其成熟產(chǎn)品包括純電動(dòng)客車(chē)、插電式混合動(dòng)力客車(chē)以及氫燃料電池客車(chē)，充分地把握地把握住市場(chǎng)份額，并在此基礎(chǔ)上不斷地研究創(chuàng)新。通過(guò)氫氣和氧氣反應(yīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力來(lái)源的氫燃料電池汽車(chē)，由于行駛過(guò)程中燃料反應(yīng)的產(chǎn)物是水，所以是一種較好的綠色新型環(huán)保汽車(chē)。

4 總結(jié)

對(duì)于超級(jí)電容器而言，功率特性的優(yōu)秀是其最大的特色之一，也是其應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的最大優(yōu)勢(shì)，但是其本身的短板也不容忽視，功率和能量密度在內(nèi)，都存在著明顯的欠缺，還有著非常大的提升空間，除了性能短板，在價(jià)格方面也不具有足夠的競(jìng)爭(zhēng)力。在未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的深入研究和發(fā)展，超級(jí)電容器的性能必將得到進(jìn)一步提升并在未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中占據(jù)重要的地位。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊洪明，陳博文，王懂，等. 局部陰影遮擋下太陽(yáng)能電池-超級(jí)電容器件陣列建模及其缺失電流協(xié)同補(bǔ)償方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2021.

[2]曹玥，張改梅，李現(xiàn)紅，等. 三維石墨烯的制備及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用[J]. 包裝工程，2021，42（15）：11.

[3]聶文琪，孫江東，許帥，等. 紡織基超級(jí)電容器研究進(jìn)展[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2022，39（3）：12.

[4]楊洪明，王穎杰，陳博文，等. 局部陰影條件下太陽(yáng)能電池-超級(jí)電容串聯(lián)陣列電流補(bǔ)償方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2022，34（4）：10.

[5]邢增強(qiáng)，崔文朋，等. 基于超級(jí)電容的太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng).電子技術(shù)，2021.