满足苛刻的复杂环境 解析超级电容技术

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/30 00:25:47
2012-10-24 15:28:48   来源:汽车之家
http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/1024/article_6183.html

“超级电容”听上去,往往会令人觉得这是个很NB的家伙,作为一种新型的电能存储元件,超级电容可以弥补现阶段锂离子电池在功率密度等方面的不足。目前,它已经应用于军事、新能源汽车以及各种机电设备中,而当其与锂离子电池组成“交叉火力”时,即可大幅提升储能元件的各项技术指标,以满足近乎苛刻的复杂的使用环境。


● 超级电容的基本结构

    超级电容又叫双电层电容,从结构上来看,其与电解电容非常相似。简单来说,如果在电解液中插入两个电极,并施加一个电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下就会迅速向两极运动,最终分别在两个电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层。

满足苛刻的复杂环境 解析超级电容技术



电容的大小取决于电极表面积的大小和两个电极间的距离。传统电容器的电极表面积就是导体的平板面积,为了获得较大的容量,通常都将导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。同时传统电容器用绝缘材料来分离它的两个电极,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料也都要求尽可能的薄。




超级电容的电极表面积是基于多孔的炭材料,该材料的多孔结构使其表面积非常大,而且超级电容的电极间距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的,该距离和传统电容的薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积,再加上非常小的电极间距,使得超级电容较传统电容而言有着惊人的静电存储容量,这也是其被冠以“超级”的重要原因。




电容的基本作用就是充电与放电,但由基本充、放电作用所延伸出来的许多电路现象,使得电容有着更丰富多彩的用途。在一般的电子电路中,常用电容器来实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移以及波形变换等,这些作用都是充、放电功能的演变。而根据超级电容的种种特性,其更多的被应用于能源领域,通常被作为电池来使用。

● 超级电容的优劣势

    相比铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池,超级电容具有节能、超长使用寿命、安全、环保、宽温度范围、无需人工维护等优点。由于超级电容是采用物理的方法来储能,所以其最为重要的一个特点就是功率密度很大,我们可以将其理解为充、放电迅速且可以瞬间吸收或释放极高的能量,这也是目前任何电池都做不到的。




或许任何事物都存在着不完美,超级电容亦不例外,它相对致命的一个弱点就是能量密度很低。所谓的能量密度就是指在一定的空间或质量物质中所储存能量的大小。比如我们经常使用的5号充电电池,如果其毫安时越大,就代表它的能量密度越高。可以说,超级电容相比锂离子电池较低的能量密度,限制了其在很多领域的应用。

● 超级电容所应用的领域

    在了解了超级电容的一些概况后,我们来看看目前它所应用的领域。首先,任何新技术的产生和发展往往会最先应用于军事领域,超级电容的研发初衷是不是亦如此,我们不甚了解,但是在复杂的战场环境下,超级电容的确有着特殊的优势存在。前面所提到的宽温度范围(通常在-40℃-65℃之间)以及高功率密度的特点,可以保证坦克、装甲车等大马力的军事车辆的顺利启动,特别是在寒冷的冬季,而它高功率密度的特点还可作为激光武器的脉冲能源。



  在民用领域,超级电容也发挥着巨大的作用。比如可用于照相机闪光灯的供电,其可以使闪光灯达到连续使用的性能,从而提高照相机连续拍摄的能力,同时超级电容还可以用来对相机快门进行控制。另外,随着电子与能源工业的发展,超级电容在短时UPS系统、太阳能电源系统等免维护系统上具有不可替代的作用。





由于超级电容能够进行高功率的充、放电,根据这一特点,超级电容可以应用在一些交通工具上,将列车或者大型客车的刹车能量储存起来,在加速时提供峰值功率的输出。由于充、放电速度很快,在车辆进站上下人的短暂时间里,即可瞬间将超级电容充满电,并且足够跑到下一个站点。这样就使得车辆无需背负着受电弓,而且不再需要沿途架设高压线,这无疑降低了建设成本。


由于超级电容的能量密度相比锂离子电池低很多,所以它很难单独作为能量存储设备而运用在乘用车辆上,但是它却可以与传统内燃机组成混合动力系统。丰田在旗下的勒芒赛车上就应用了超级电容技术,由于赛车在制动瞬间的能量非常大,通过超级电容高功率密度的特点可以更高效的将能量回收存储起来,同时在赛车需要超车等瞬时大功率的情况下,超级电容同样可以满足这样的要求。

在目前主流的电池技术上,锂电池和超级电容技术可谓各有长短。锂离子电池能量储存密度高,超级电容的功率储存密度高,大量的研究工作集中于提高锂离子电池的功率密度或增加超级电容的能量储存密度这两个领域,但挑战十分巨大。但是当我们把二者结合在一起时,这样的电池就愈加完美了。

   特别是在大型客车方面,由于制动瞬间会比小型轿车有更大的能量产生,所以通过超级电容可以很好的吸收这部分能量,在车辆起步或急加速时,通过超级电容又可以将这部分能量迅速释放掉,而在平时小功率的能量转换时,又可以依靠锂离子电池来完成,所以这种“混搭”的电池技术突破了现阶段某一种类型的电池在技术上的瓶颈,堪称完美。

全文总结:

    虽然超级电容有着种种的优点,但是其能量密度低的短板还是限制其在新能源汽车领域一展拳脚。根据目前的技术发展水平,超级电容与锂离子电池的组合可谓取长补短,基本满足了人们对电池的高能量密度和高功率密度的需求。个人觉得,基于电容的基本物理结构,其很难在能量密度方面有所突破,但是这并不妨碍它与内燃机组成混合动力系统以及在其它领域发挥着自己的优势与特长。


2012-10-24 15:28:48   来源:汽车之家
http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/1024/article_6183.html

“超级电容”听上去,往往会令人觉得这是个很NB的家伙,作为一种新型的电能存储元件,超级电容可以弥补现阶段锂离子电池在功率密度等方面的不足。目前,它已经应用于军事、新能源汽车以及各种机电设备中,而当其与锂离子电池组成“交叉火力”时,即可大幅提升储能元件的各项技术指标,以满足近乎苛刻的复杂的使用环境。

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2012-10-28 21:00 上传



● 超级电容的基本结构

    超级电容又叫双电层电容,从结构上来看,其与电解电容非常相似。简单来说,如果在电解液中插入两个电极,并施加一个电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下就会迅速向两极运动,最终分别在两个电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层。

满足苛刻的复杂环境 解析超级电容技术

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电容的大小取决于电极表面积的大小和两个电极间的距离。传统电容器的电极表面积就是导体的平板面积,为了获得较大的容量,通常都将导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。同时传统电容器用绝缘材料来分离它的两个电极,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料也都要求尽可能的薄。

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超级电容的电极表面积是基于多孔的炭材料,该材料的多孔结构使其表面积非常大,而且超级电容的电极间距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的,该距离和传统电容的薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积,再加上非常小的电极间距,使得超级电容较传统电容而言有着惊人的静电存储容量,这也是其被冠以“超级”的重要原因。

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电容的基本作用就是充电与放电,但由基本充、放电作用所延伸出来的许多电路现象,使得电容有着更丰富多彩的用途。在一般的电子电路中,常用电容器来实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移以及波形变换等,这些作用都是充、放电功能的演变。而根据超级电容的种种特性,其更多的被应用于能源领域,通常被作为电池来使用。

● 超级电容的优劣势

    相比铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池,超级电容具有节能、超长使用寿命、安全、环保、宽温度范围、无需人工维护等优点。由于超级电容是采用物理的方法来储能,所以其最为重要的一个特点就是功率密度很大,我们可以将其理解为充、放电迅速且可以瞬间吸收或释放极高的能量,这也是目前任何电池都做不到的。

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或许任何事物都存在着不完美,超级电容亦不例外,它相对致命的一个弱点就是能量密度很低。所谓的能量密度就是指在一定的空间或质量物质中所储存能量的大小。比如我们经常使用的5号充电电池,如果其毫安时越大,就代表它的能量密度越高。可以说,超级电容相比锂离子电池较低的能量密度,限制了其在很多领域的应用。

● 超级电容所应用的领域

    在了解了超级电容的一些概况后,我们来看看目前它所应用的领域。首先,任何新技术的产生和发展往往会最先应用于军事领域,超级电容的研发初衷是不是亦如此,我们不甚了解,但是在复杂的战场环境下,超级电容的确有着特殊的优势存在。前面所提到的宽温度范围(通常在-40℃-65℃之间)以及高功率密度的特点,可以保证坦克、装甲车等大马力的军事车辆的顺利启动,特别是在寒冷的冬季,而它高功率密度的特点还可作为激光武器的脉冲能源。

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2012-10-28 21:06 上传



  在民用领域,超级电容也发挥着巨大的作用。比如可用于照相机闪光灯的供电,其可以使闪光灯达到连续使用的性能,从而提高照相机连续拍摄的能力,同时超级电容还可以用来对相机快门进行控制。另外,随着电子与能源工业的发展,超级电容在短时UPS系统、太阳能电源系统等免维护系统上具有不可替代的作用。

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由于超级电容能够进行高功率的充、放电,根据这一特点,超级电容可以应用在一些交通工具上,将列车或者大型客车的刹车能量储存起来,在加速时提供峰值功率的输出。由于充、放电速度很快,在车辆进站上下人的短暂时间里,即可瞬间将超级电容充满电,并且足够跑到下一个站点。这样就使得车辆无需背负着受电弓,而且不再需要沿途架设高压线,这无疑降低了建设成本。

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2012-10-28 21:08 上传



由于超级电容的能量密度相比锂离子电池低很多,所以它很难单独作为能量存储设备而运用在乘用车辆上,但是它却可以与传统内燃机组成混合动力系统。丰田在旗下的勒芒赛车上就应用了超级电容技术,由于赛车在制动瞬间的能量非常大,通过超级电容高功率密度的特点可以更高效的将能量回收存储起来,同时在赛车需要超车等瞬时大功率的情况下,超级电容同样可以满足这样的要求。

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2012-10-28 21:09 上传


在目前主流的电池技术上,锂电池和超级电容技术可谓各有长短。锂离子电池能量储存密度高,超级电容的功率储存密度高,大量的研究工作集中于提高锂离子电池的功率密度或增加超级电容的能量储存密度这两个领域,但挑战十分巨大。但是当我们把二者结合在一起时,这样的电池就愈加完美了。

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2012-10-28 21:11 上传


   特别是在大型客车方面,由于制动瞬间会比小型轿车有更大的能量产生,所以通过超级电容可以很好的吸收这部分能量,在车辆起步或急加速时,通过超级电容又可以将这部分能量迅速释放掉,而在平时小功率的能量转换时,又可以依靠锂离子电池来完成,所以这种“混搭”的电池技术突破了现阶段某一种类型的电池在技术上的瓶颈,堪称完美。

全文总结:

    虽然超级电容有着种种的优点,但是其能量密度低的短板还是限制其在新能源汽车领域一展拳脚。根据目前的技术发展水平,超级电容与锂离子电池的组合可谓取长补短,基本满足了人们对电池的高能量密度和高功率密度的需求。个人觉得,基于电容的基本物理结构,其很难在能量密度方面有所突破,但是这并不妨碍它与内燃机组成混合动力系统以及在其它领域发挥着自己的优势与特长。


超级电容器,,,不考虑体积的时候是一个很好的能量容器,,空间够大的船舶可以考虑
坦克什么的就不要想了

地铁的列车其实也不错,,不过重庆除外啊,爬坡太多了
电磁弹射器~~
有需要超级电容器的找我哈,哈哈哈……
由于超级电容能够进行高功率的充、放电,根据这一特点,超级电容可以应用在一些交通工具上,将列车或者大型客车的刹车能量储存起来,在加速时提供峰值功率的输出。由于充、放电速度很快,在车辆进站上下人的短暂时间里,即可瞬间将超级电容充满电,并且足够跑到下一个站点。
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这跟电弹的工作方式没有区别了
6000法那个
能时间旅行么?
好吧,本人是超级电容的制程工程师,有问题可以问我
cruelworm 发表于 2012-10-29 01:31
好吧,本人是超级电容的制程工程师,有问题可以问我
真的假的?
如果只真的就请问现在我们的水平能否做到3秒钟内释放出100MJ的能量?
大小企鹅 发表于 2012-10-29 01:50
真的假的?
如果只真的就请问现在我们的水平能否做到3秒钟内释放出100MJ的能量?
能是能,不过以目前技术,体积是个大问题。。。
老狼正宗 发表于 2012-10-29 02:04
能是能,不过以目前技术,体积是个大问题。。。
需要多大的体积和重量?能比航母上的蒸汽锅炉和高压储气罐的体积小就可以了。
cruelworm 发表于 2012-10-29 01:31
好吧,本人是超级电容的制程工程师,有问题可以问我
去年吹得很响的天津周国泰院士的电容车,究竟是不是忽悠啊? 什么时候可以产业化和上市啊?
是个新技术
Bearcat 发表于 2012-10-29 04:08
去年吹得很响的天津周国泰院士的电容车,究竟是不是忽悠啊? 什么时候可以产业化和上市啊?
上海的电容公交车已经跑了好几年了。。。
要是能在小型化上取得突破是不是电弹可以用上?
真的假的? 如果只真的就请问现在我们的水平能否做到3秒钟内释放出100MJ的能量?
一个一号电池大小的大约是0.4wh,放电电流可以约几十A,100MJ这个体积和数量都有点多啊
去年吹得很响的天津周国泰院士的电容车,究竟是不是忽悠啊? 什么时候可以产业化和上市啊?
跑近能随时充电没问题,要跑远路夠呛,毕竟能量密度比起电池有点低
去年吹得很响的天津周国泰院士的电容车,究竟是不是忽悠啊? 什么时候可以产业化和上市啊?
跑近能随时充电没问题,要跑远路夠呛,毕竟能量密度比起电池有点低
cruelworm 发表于 2012-10-31 00:22
一个一号电池大小的大约是0.4wh,放电电流可以约几十A,100MJ这个体积和数量都有点多啊
所以才要用超级电容或者飞轮蓄能啊。
6000法电容那个太恐怖了,1.5V的电压,也就是一块可以储存不知道体积多大,如果散热解决的话并联上2万块应该就可以满足要求了。
"由于超级电容是采用物理的方法来储能"

喂喂,真的是这样吗?这好像只是事实的一部分吧。
cruelworm 发表于 2012-10-31 00:25
跑近能随时充电没问题,要跑远路夠呛,毕竟能量密度比起电池有点低
去年官方报道的周国泰的电容大巴一次充电就跑210公里啊,还不算远路?

http://energy.people.com.cn/BIG5/15627015.html

前两年全国各地都说搞电动车取得突破,但总是雷声大雨点小。很可能就是骗钱的忽悠。除了BYD卖出点出租车和大巴以外,市场上看不到一辆真正大规模产业化的电动车。
doubledr 发表于 2012-10-31 01:45
"由于超级电容是采用物理的方法来储能"

喂喂,真的是这样吗?这好像只是事实的一部分吧。
嗯,一般解释超级电容的原理都是两部分,electric double layer和pseudo capacitance。前者就是双电层,是物理方法;后者是可逆的化学反应,算化学方法。
Zizu 发表于 2012-10-29 01:00
能时间旅行么?
我承认,我看到标题第一眼也是想到了《回到未来》。
能量密度大,潜艇上无应用前景

Bearcat 发表于 2012-10-29 04:08
去年吹得很响的天津周国泰院士的电容车,究竟是不是忽悠啊? 什么时候可以产业化和上市啊?


世博园里面当时同时有超级电容、锂离子电池、燃料电池、飞轮储能等几种不同的环保型巴士运行。

不过如果是要能跑长途的小轿车,目前还只有锂离子电池和燃料电池两种投入市场的产品。
我们这里有化学与材料科学学院的教授开的就是纯电动车。
Bearcat 发表于 2012-10-29 04:08
去年吹得很响的天津周国泰院士的电容车,究竟是不是忽悠啊? 什么时候可以产业化和上市啊?


世博园里面当时同时有超级电容、锂离子电池、燃料电池、飞轮储能等几种不同的环保型巴士运行。

不过如果是要能跑长途的小轿车,目前还只有锂离子电池和燃料电池两种投入市场的产品。
我们这里有化学与材料科学学院的教授开的就是纯电动车。
doubledr 发表于 2012-10-31 01:45
"由于超级电容是采用物理的方法来储能"

喂喂,真的是这样吗?这好像只是事实的一部分吧。
宏观上没有消灭旧物质、产生新物质,所以叫物理变化。你可以理解成某种意义上的相变
——和电场作用下极性分子材料的取向极化、磁场作用下磁畴的定向重排是类似的。

毕竟,溶液导电本身也是宏观上没有消灭旧物质、产生新物质,但微观上有局部结构的消灭和重组。
功率密度大,用来吸收闪电能量不错...
终于知道电容长什么样子了
paini 发表于 2012-10-31 05:41
宏观上没有消灭旧物质、产生新物质,所以叫物理变化。你可以理解成某种意义上的相变
——和电场作用下极 ...
别胡说八道了。什么物理变化。是不是物理方法还有分宏观微观的吗?讲得好像电极局部的电化学反应不是化学反应一样。你这概念是错误的,这种已经是化学的范围了。
前几天搭公交还在看动力舱上的说明 高压危险  超级电容  锂电池 单手操作 放电  停驶24小时以上。。。
wenxi250 发表于 2012-10-29 00:43
6000法那个
1.5V 6000F的那个来个32个,驱动我的600W电机,算了下可以跑200KM了,不知道体积有多大。
前几天刚好看到上海电视台介绍电动汽车,细节记不清了,只记得这几点:
1. 目前上海电动汽车牌照免费发放
2. 目前上海出售的电动汽车价格大约在10W上下
3. 目前上海出售的电动汽车充电一次大约行驶120KM左右
4. 目前上海参观过电动汽车超过3W人次,实际购买只有2000多
5. 目前上海可用充电站很少,很多小区内部拒绝安装充电站,将来三年,(貌似全国?)会新增充电站3000个
6. 目前上海世博期间留下来的电能大巴,出勤率只有一半,不少车充电一次,开不到40KM
qw123yw 发表于 2012-11-1 14:58
前几天刚好看到上海电视台介绍电动汽车,细节记不清了,只记得这几点:
1. 目前上海电动汽车牌照免费发放
...
电池是不行的
看不懂........
海红旗 发表于 2012-10-28 21:49
有需要超级电容器的找我哈,哈哈哈……
好吧,我们需要耐压400V的单体超级电容。
ion 发表于 2012-11-1 14:33
1.5V 6000F的那个来个32个,驱动我的600W电机,算了下可以跑200KM了,不知道体积有多大。
提高耐压串联电容即可,你的电机如果是220V的,那么需要串联147个这样的电容,但是容量就变为40.8F,要再达到6000F你需要这样的电容组147个。共需要电容21609个。
声波 发表于 2012-11-1 15:39
好吧,我们需要耐压400V的单体超级电容。
没有问题!你需要商业级、工业级、还是军标的?
电容还有个大好处时充放电循环没有次数寿命限制。尤其是纯物理原理的,电解电容原则上也没有,不过寿命还是取决于电解液是不是干掉。电池就不行了,充放电循环几千次的就是很牛的了。所以用来做汽车动力总觉得过几年以后不靠谱,换电池比买车怕还贵吧?
十几年前有说用碳纳米管做超级电容的,能量密度比普通电池都大,不过后来证实是那帮搞纳米管的研究生的科幻。到现在也没做出毫米级别的纳米管,完全时虚幻。
海红旗 发表于 2012-11-1 17:15
没有问题!你需要商业级、工业级、还是军标的?
工业级的即可,体积不要超过480*240*500mm即可 耐压400V 容量大于3000F。

doubledr 发表于 2012-11-1 13:49
别胡说八道了。什么物理变化。是不是物理方法还有分宏观微观的吗?讲得好像电极局部的电化学反应不是化学 ...


溶液里的离子分区域集中并不改变整个溶液的组成,双电层和双电层中离子与电极物质通过静电吸附实现的类似于离子氛重构的过程,不属于化学变化。只有生成组分确定的新种类离子才被视为化学变化,正如溶液导电的时候离子氛也在不停的分解与重构,微观上不断有离子反应发生,但没有宏观的化学变化。

属于化学的范围,没错,属于我们物理化学专业领域,但我们不称之为发生了化学变化。
doubledr 发表于 2012-11-1 13:49
别胡说八道了。什么物理变化。是不是物理方法还有分宏观微观的吗?讲得好像电极局部的电化学反应不是化学 ...


溶液里的离子分区域集中并不改变整个溶液的组成,双电层和双电层中离子与电极物质通过静电吸附实现的类似于离子氛重构的过程,不属于化学变化。只有生成组分确定的新种类离子才被视为化学变化,正如溶液导电的时候离子氛也在不停的分解与重构,微观上不断有离子反应发生,但没有宏观的化学变化。

属于化学的范围,没错,属于我们物理化学专业领域,但我们不称之为发生了化学变化。