超級(jí)電池綜述

1、超級(jí)電容電池綜述隨著一年一度的北京車展的到來(lái)，2014年的北京車展上各種車輛層出不窮，但有一種車輛還是脫穎而出，不再和傳統(tǒng)燃油車輛一樣的是，它是靠電驅(qū)動(dòng)的，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)車輛的各種性能，他就是特斯拉。車展人們走馬觀花，看到的只能車的外表，殊不知這輛高科技的電動(dòng)特斯拉的“發(fā)動(dòng)機(jī)”卻是現(xiàn)在國(guó)際上流行但又神秘的超級(jí)電容電池。今天我們揭開(kāi)這個(gè)神秘的超級(jí)電容電池的面紗。下面本文在一下幾個(gè)方面進(jìn)行一個(gè)小綜述。一:超級(jí)電池的定義超級(jí)電池是美國(guó)科學(xué)家研制的一種新型電池，它們被稱為微型石墨烯超級(jí)電容，其充電和放電速度比普通電池快1000倍，并能夠存儲(chǔ)更多的電能。超級(jí)電池采用單原子厚度的碳層構(gòu)成，這項(xiàng)技術(shù)能夠在最短

2、時(shí)間內(nèi)對(duì)手機(jī)和汽車快速充電，能夠很容易制造并整合成為器件，未來(lái)有望制造更小的手機(jī)。二：超級(jí)電池的結(jié)構(gòu)和原理超級(jí)電容電池的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也稱作“電容電池”或說(shuō)“黃金電池”。超級(jí)電容器電池也屬于雙電層電容器,它是目前世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種,其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。傳統(tǒng)物理電容中儲(chǔ)存的電能來(lái)源于電荷在兩塊極板上的分離,兩塊極板之間為真空(相對(duì)介電常數(shù)為1)或一層介電物質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)為)所隔離,電容值為:C = A / 3.6 d 10-6 (F)

3、 其中A為極板面積,d為介質(zhì)厚度。所儲(chǔ)存的能量為: E = C (V)2/2，其中C為電容值,V為極板間的電壓降.可見(jiàn),若想獲得較大的電容量,儲(chǔ)存更多的能量,必須增大面積A或減少介質(zhì)厚度d，但這個(gè)伸縮空間有限，導(dǎo)致它的儲(chǔ)電量和儲(chǔ)能量較小。超級(jí)電容采用活性炭材料制作成多孔電極,同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液,當(dāng)在兩端施加電壓時(shí),相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子,而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上,從而形成兩個(gè)集電層,相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián),由于活性碳材料具有1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到

4、1nm(即獲得了極小的介質(zhì)厚度d),根據(jù)前面的計(jì)算公式可以看出,這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上, 從而使單位重量的電容量可達(dá)100F/g，并且電容的內(nèi)阻還能保持在很低的水平，碳材料還具有成本低，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。從而使利用電容器進(jìn)行大電量的儲(chǔ)能成為可能，且在實(shí)際使用時(shí)，可以通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)以提高輸出電壓或電流。三：超級(jí)電池的特點(diǎn)它的結(jié)構(gòu)和工作原理決定了它的特點(diǎn)和性質(zhì)，目前超級(jí)電池有九大方面的特點(diǎn)。（1）充電速度快，只要充電幾十秒到幾分鐘就可達(dá)到其額定容量的95以上；而現(xiàn)在使用面積最大的鉛酸電池充電通常需要幾個(gè)小時(shí)。（2）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)使

5、用次數(shù)可達(dá)50萬(wàn)次，如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年如果相應(yīng)地和鉛酸電池比較, 它的使用壽命可達(dá)68年, 且沒(méi)有“記憶效應(yīng)”。（3）大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過(guò)程損失小，大電流能量循環(huán)效率90%；（4）功率密度高，可達(dá)300W/kg5000W/kg，相當(dāng)于普通電池的數(shù)十倍；比能量大大提高，鉛酸電池一般只能達(dá)到0.02kWh/kg，而超級(jí)電容電池目前研發(fā)已可達(dá)10 kWh/kg，（5）產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；（6）充放電線路簡(jiǎn)單，無(wú)需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)；（7）超低溫特性好，使用環(huán)境溫

6、度范圍寬達(dá)-40+70；（8）檢測(cè)方便，剩余電量可直接讀出；（9）單體容量范圍通常0.1F-1000F 。四：目前國(guó)內(nèi)外的研發(fā)狀況盡管超級(jí)電池有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)超級(jí)電池的研發(fā)進(jìn)度大不一樣，現(xiàn)在制約超級(jí)電池研發(fā)的關(guān)鍵因素在于制造石墨烯，由于這種材料的珍貴使得國(guó)內(nèi)研發(fā)沒(méi)有跟上國(guó)際。目前石墨烯價(jià)格在2000-5000元每克，根據(jù)品相不同，價(jià)格也不同。在國(guó)內(nèi)，根據(jù)總部位于北京的新興產(chǎn)業(yè)調(diào)研機(jī)構(gòu)最新的研究結(jié)果中國(guó)超級(jí)電容器行業(yè)發(fā)展及投資分析報(bào)告2009-2010版（含2009-2013年預(yù)測(cè)）-動(dòng)力電源系列報(bào)告，國(guó)內(nèi)從事大容量超級(jí)電容器研發(fā)的廠家共有50多家，然而，能夠批量生產(chǎn)并達(dá)到實(shí)用化水

7、平的廠家不到20家。國(guó)內(nèi)廠商大多生產(chǎn)液體雙電層電容器，重要企業(yè)有錦州凱美能源（原錦州富辰、錦州錦容）、北京集星電子、上海奧威等十多家。錦州凱美能源是國(guó)內(nèi)最大的超級(jí)電容器專業(yè)生產(chǎn)廠，主要生產(chǎn)紐扣型和卷繞型超級(jí)電容器。北京集星可生產(chǎn)卷繞型和大型電容器，而上海奧威產(chǎn)品多集中在車用超級(jí)電容器上。在國(guó)外EESTOR的超級(jí)電容器電池技術(shù)，已經(jīng)宣稱能“替代電化學(xué)電池”了。2007年1月16日，美國(guó)一家研制電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置的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。這一技術(shù)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

8、車到筆記本電腦的一切電能化學(xué)電池。 按照2006年4月發(fā)表的專利，美國(guó)EESTOR公司這種能量存儲(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)車走500英里，電費(fèi)只有9美元。而燒汽油的普通汽車走相同里程則要花費(fèi)60美元。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，每公斤鋰電池僅僅是0.12千瓦時(shí)。 根據(jù)EESTOR公司的聲明，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。

9、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)熱甚至爆炸的任何危險(xiǎn)，沒(méi)有任何安全隱患。美國(guó)EESTOR公司的雄心來(lái)自其“替代電氣化學(xué)電池”的專利。EESTOR公司在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)。各國(guó)專家說(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嚴(yán)重威脅。EESTOR公司負(fù)責(zé)

10、人指出，他們的技術(shù)不僅適用于小型旅客電動(dòng)汽車，還能取代300馬力的大型汽車。五：超級(jí)電池的應(yīng)用前景超級(jí)電容電池作為一種新型的儲(chǔ)能元件，兼顧了雙電層電容器和鋰離子二次電池的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了兩者的缺陷:與傳統(tǒng)的雙電層電容器相比，它具有更高的能量密度;與電池相比，則具有更高的功率密度。同時(shí)超級(jí)電容電池還具有快速充放電、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好等眾多優(yōu)點(diǎn),所以其作為一種新的儲(chǔ)能器件在很多方面都有廣闊的應(yīng)用前景,主要有以下幾個(gè)方面:(1)電動(dòng)汽車領(lǐng)域與電池相比,超容電池比功率大、輸出功率大、充電速度快、剎車再生能量回收效率高、用超容電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車、其綜合運(yùn)營(yíng)成本大大低于用電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車

11、。根據(jù)美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)提出的電動(dòng)車發(fā)展計(jì)劃,電動(dòng)車車用電源系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求有:高比功率(啟動(dòng)、加速、及爬坡性能)、成本低廉、高比能量(續(xù)航能力)、可快速充電、安全性好。如剛開(kāi)始就提到的特斯拉汽車就用到超級(jí)電池來(lái)提供動(dòng)力。(2)快速啟動(dòng)應(yīng)用超級(jí)電容電池能夠在較短的時(shí)間內(nèi)輸出較大的功率，比如汽車和摩托車上使用的啟動(dòng)型鉛酸蓄電池，可以在幾秒鐘內(nèi)提供幾十到上百安培的電流，但實(shí)際上大部分能量都用不上。若采用超級(jí)電容電池，則正好可以發(fā)揮超級(jí)電容電池在較短時(shí)間輸出較大功率的優(yōu)點(diǎn)；在內(nèi)燃機(jī)機(jī)車上,用超級(jí)電容電池作為電啟動(dòng)的輔助裝置，可以改善電啟動(dòng)的性能，很適合用在啟動(dòng)頻繁的調(diào)車機(jī)車上。(3)峰值脈沖功率方面

12、的應(yīng)用超級(jí)電容電池適用在大功率的脈沖電源方面，尤其是使用在無(wú)線技術(shù)的便攜式裝置，如便攜式計(jì)算機(jī)、采用GSM和GPRS無(wú)線通信的掌上型裝置等。正常工作時(shí)，電容器提供傳輸信號(hào)時(shí)需要的脈沖電流，而鋰離子電池提供穩(wěn)態(tài)電流，這樣不僅可以縮小電源和機(jī)體的體積，還可以延長(zhǎng)通話時(shí)間和電源的使用時(shí)間；超級(jí)電容電池在部分停電和電源波動(dòng)時(shí)，還可以維持運(yùn)作，避免造成損失，且能夠延長(zhǎng)便攜式裝置中的電池的使用壽命。六：研發(fā)超級(jí)電池的背景及意義近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)能源供應(yīng)的日益緊張及石油礦產(chǎn)等資源的嚴(yán)重僵乏，新能源受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。由于不可再生能源的日益供應(yīng)緊張，生態(tài)環(huán)境的日益惡化和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),探索清潔可再生的新能源己是未來(lái)世界的一種必然發(fā)展趨勢(shì)，也是人類努力研究的方向之一。因此，新能源和可再生的清潔能源的研制開(kāi)發(fā),對(duì)于緩解能源危機(jī)、減輕環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展都具有非常重要的意義，新型化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備在此背景下得到了更大的發(fā)展空間。而又以超級(jí)電容電池為代表的能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域成為研究的熱點(diǎn)之一。由于超級(jí)電容電池自身的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此,其己成