電化學電容器的特點及應用

1、電化學電容器的特點及應用隨著科學技術的發(fā)展,人類生活環(huán)境的提高,對能源的要求也越來越多樣化,也要求儲能設備具有更高的能量密度和功率密度,來替代或者輔助當前使用的電池。對電動汽車發(fā)展的要求更促使了對新型儲能設備的研制。電化學電容器(Electrochemical Capacitor,EC有著法拉級的超大電容量,比傳統(tǒng)的靜電電容器的能量密度高上百倍,它的功率密度較電池高近十倍,充放電效率高,不需要維護和保養(yǎng),壽命長達十年以上,是一種介于傳統(tǒng)靜電電容器和化學電源之間的新型儲能元件。電化學電容器現(xiàn)在有不同的稱呼,有超電容器(Supercapacitor,超大容量電容器(Ultracapacitor,雙

2、電層電容器(Electr ic double layer capacitor,EDLC,以及金電容(Gold capacitor等。l 電化學電容器的原理和特點根據電化學電容器儲存電能的機理的不同,可以將它分為雙電層電容器(El ectric double layercapacitor和贗電容器(Pesudocapacitor。1.1雙電層電容器的原理雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當電極和電解液接觸時,由于庫侖力、分子間力或者原子間力的作用,使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的兩層電荷,稱為界面雙電層。雙電層電容器電極通常由具有高比表面積

3、的多孔炭材料組成。炭材料具有優(yōu)良的導熱和導電性能,其密度低,抗化學腐蝕性能好,熱膨脹系數小,可以通過不同方法制得粉末、顆粒、塊狀、纖維、布、氈等多種形態(tài)。目前雙電層電容器的炭材料有:活性炭粉末、活性炭纖維、炭黑、碳氣凝膠、碳納米管(CNT、玻璃碳、網絡結構炭以及某些有機物的炭化產物。對炭材料的研究主要集中在活性炭,碳納米管和碳氣凝膠上?；钚蕴坎牧现饕翘岣咂溆行П缺砻娣e和可控微孔孔徑(>2nm。近年來有文獻報道,通過合理控制孔徑分布及表面積,在水溶液和非水溶液中活性炭電極可分別得到高達280 F/g和120 F 的比電容量。碳氣凝膠由美國Lawrence Livermore Nation

4、alLaboratory開發(fā)出來,現(xiàn)在已經由Pow erstor公司生產出碳氣凝膠超大容量電容器,具有超高容量,極低的。,寬的溫度范圍,但此材料的制備相對較繁瑣。碳納米管用于電化學電容器的電極材料具有獨特的中孔結構,良好的導電性,比表面積大,適合電解液中離子移動的孔隙以及交互纏繞可形成納米尺度的網狀結構,因此,被認為是電化學電容器的理想電極材料,成為研究熱點,并取得了很大進展。1.2贗電容器的基本原理繼雙電層電容器后,又發(fā)展了贗電容器。贗電容,也稱法拉第準電容,是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上,電活性物質進行欠電位沉積,發(fā)生高度可逆的化學吸附,脫附或氧化,還原反應,產生和電極充電電位有

5、關的電容。贗電容不僅在電極表面,而且可在整個電極內部產生,因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積的情況下,贗電容可以是雙電層電容量的10100倍。來源:輸配電設備網目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導電聚合物。目前對金屬氧化物電極電化學電容器所用電極材料的研究,主要是一些過渡金屬氧化物,如a MnO2nH20、aV205nH20、aRuO2nH20、IrO2、Ni0 、H3PM ol2040nH 20、W 03、Pb02、Co304、SrRuO3等,另外還有發(fā)展金屬的氮化物y-MN作電極材料。金屬氧化物基電容器目前研究最為成功的電極材料主要是氧化釕,由于貴金屬的資源

6、有限,價格過高將限制對它的使用,對于金屬氧化物電容器的研究主要在于降低材料的成本,尋找較廉價的材料。用導電聚合物作電化學電容器的電極材料是近年來發(fā)展起來的一個新的研究領域。其電能儲存機理是通過電極上聚合物中發(fā)生快速可逆的n型或P型元素摻雜和去摻雜氧化還原反應,使聚合物達到很高的儲存電荷密度,從而產生很高的贗電容達到儲能目的。導電聚合物材料具有良好的電子導電性,因此制作的電容器內阻小,比電容量大,通常聚合物電容器的比能量比活性炭作電極的電化學電容器要大23倍。常見的導電聚合物材料有:聚吡咯(Polypyrroles,PP、r、聚噻吩(Polythiophenes、聚苯胺(Polyaniline,

7、PAN、聚對苯(Polyparaphen ylene,PPP、聚并苯(Polyacenes,PAS、聚乙炔二茂鐵(Polyvinylferrocene, PVF、聚亞胺酯以及它們衍生物的聚合物(如聚3一(4一氟苯基噻吩,聚反式二噻吩丙烯氰。目前對導電聚合物電容器的研究主要集中在提高其循環(huán)壽命上。1.3電化學電容器的特點電化學電容器作為一種新的儲能元件,具有如下優(yōu)點:(1超高電容量(0.16000 F。EC與鉭、鋁電解電容器相比較,電容量大得多,比同體積電解電容器電容量大20006000倍。(2漏電流極小,具有電壓記憶功能,電壓保持時間長。(3功率密度高,與充電電池相比,可作為功率輔助器,供給大

8、電流。EC最適合用于要求能量持續(xù)時間僅為l 102 S的情況。(4充放電效率高,超長壽命,充放電大于40萬次。EC 電量的儲存是通過離子的吸脫附而不是化學反應,故能快速充放電。充電電池在反復充放電時電極的結晶結構會變差,甚至最終不能再充電,即壽命問題。而EC在充放電時僅產生離子的吸脫附,電極結構不會發(fā)生變化,因此其充放電次數原理上沒有限制。另外,對過充電或過放電有一定的承受能力,在短時間過壓一般不會使裝置產生嚴重影響,可穩(wěn)定地反復充放電。(5放置時間長。EC有更長的自身壽命和循環(huán)壽命,EC 超過一定時間會自放電到低壓,但仍能保持其電容量,且能充電到原來的狀態(tài),即使幾年不用仍可保留原有的性能指標

9、。(6溫度范圍寬一40+70,一般電池是_20 +60。在低溫時電池中化學反應速度極慢而EC中離子的吸脫附速度變化不大,故其電容量變化也比充電電池小得多。(7免維護,環(huán)境友善。但是,目前電化學電容器還有一些需要改進的地方,如能量密度較低,體積能量密度較差,和電解電容器相比,工作電壓較低,一般水系電解液的單體工作電壓為01.4V,且電解液腐蝕性強;非水系可以高達4.5 V,實際使用的一般為3.5V,作為非水系電解液要求高純度,無水,價格較高,并且非水系要求苛刻的裝配環(huán)境。2 電化學電容器的應用由于電化學電容器上述的特點,一問世便受到人們的重視,已在很多領域得到成功的應用,并且應用范圍還在不斷地擴

10、大。目前電化學電容器的發(fā)展正在逐步進入成熟期。近幾年來,雙電層電容器的年銷售額都保持在1 000萬美元以上,并且逐年穩(wěn)步增長,到1997年其年銷售額已經超過1.3億美元,2001年達2億美元。電化學電容器以其大容量,高能量密度,大電流,多次充放電等性能,使其在工業(yè)、消費電子、電信通訊、醫(yī)療器械、國防、航空航天等領域得到越來越廣泛的應用。其外觀形式也多種多樣,有圓形,長方形,貼片型等,如圖1所示?，F(xiàn)將主要應用范圍舉例如下:目前已經開發(fā)的電化學電容器根據放電量、放電時間以及電容量大小,主要用作后備電源、替換電源和主電源:(1作后備電源目前電化學電容器應用最廣的部分是電子產品領域,主要是充當記憶器、

11、電腦、計時器等的后備電源。當主電源中斷、由于振動產生接觸不良或由于其它的重載引起系統(tǒng)電壓降低時,EC 就能夠起后備補充作用。其電量通常在微安或毫安級。典型的應用有:錄像機、Tv衛(wèi)星接收器、汽車音頻系統(tǒng)、出租車的計量器、無線電波接收器、出租計費器、鬧鐘、控制器、家用面包機、咖啡機、照相機和電視機、計數器、移動電話、尋呼機等。在這些應用中,EC 的價格比可充電電池低。其最大好處是壽命長、循環(huán)次數多、充電快以及環(huán)境適應性強。(2作替換電源由于EC具有高充放電次數、壽命長、使用溫度范圍寬、循環(huán)效率高以及低自放電,故很適合這種應用。例如白晝.黑夜的轉換。白天太陽能提供電源并對EC充電,晚上則由EC提供電

12、源。典型的應用有:太陽能手表、太陽能燈、路標燈、公共汽車停車站時間表燈、汽車停放收費計燈、交通信號燈等,它們能長時間使用,不需要任何維護。(3作主電源通過一個或幾個EC釋放持續(xù)幾毫秒到幾秒的大電流。放電之后,EC 再由低功率的電源充電。其典型的應用有:玩具車,其體積小、重量輕,能很快跑動;發(fā)生故障時,EC 也能自動防止故障,而過去通常用的是彈簧系統(tǒng)。另外,帶有EC 的傳動器不僅小巧、而且便宜和快捷。目前正在開發(fā)低價格,高電容量,低等效串聯(lián)電阻( 和高電壓以及縮小體積、減輕重量的高可靠性的電化學電容器,這將激發(fā)一個巨大的新市場。下面舉幾個正在開發(fā)的電化學電容器的應用領域。2.1無線通信領域電化學

13、電容器適合大功率的脈沖電源上應用,其要求短時、瞬時脈沖很高,特別是那些使用無線技術的便攜裝置,像便攜式計算機、采用GSM 和GPRS無線通信的掌上型裝置等。此外,它們還可在電源波動和部分停電時維持運作,避免產生損失并延長便攜式裝置中電池的使用壽命。另外,電化學電容器安裝在芯片上可以達到儲存和強化電能的效果,可比一般電容器儲存更多的電能,它的充電速度較快且可以在低溫下運行。由于能量密度高,因此可縮小電源及機體的體積、延長電源使用時間。目前PowerStor公司推出的超薄凝膠型超大容量電容器采取扁平設計,使用鋰離子聚合物封裝體系,而非傳統(tǒng)的金屬外殼,厚度為1 iii n,目標市場為RFModem

14、的PCMCIA卡和GSM 、GPRS 無線應用領域。AVX 公司推出的BestCap哪采用專用的固態(tài)聚合物電解質,炭電極和專用的封裝技術,主要用于GSM/GPRS無線通信產品,ADSUDSL 和其它通信設備以及筆記本電腦上使用的混合電池組,它與電池混合使用,組成體積更小的電池組,在很短時間內提供較大的電流,為系統(tǒng)提供更穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓,增加“通話時間”,延長電池壽命。Cap-XX公司正在開發(fā)用于筆記本電腦的超大容量電容器,預計這種筆記本電腦將于2004年上市。在低溫下效率提高了2倍,即使拿掉電池,筆記本電腦還可持續(xù)使用5 min。電動汽車的關鍵部分是蓄電池,可以作為電動汽車動力能源的有鉛酸電池、

15、鎳氫電池、鋰離子電池以及燃料電池等。普通電池雖然能量密度高,行駛歷程長,但是存在充電時間長、無法大電流充電、工作壽命短等不足。與之相比電化學電容器比功率大,充電速度快,輸出功率大,剎車再生能量回收效率高。超大容量電容器具有1O萬次以上的循環(huán)壽命,安全可靠,在一40一+50溫度范圍內可以正常工作。由于超大容量電容器的壽命是普通化學電池的100倍以上且徹底免維護,使用超大容量電容器作為動力源的城市交通電動汽車綜合運營成本大大低于采用電池作為動力源的電動汽車。目前世界各國都在開發(fā)電動汽車,主要傾向是開發(fā)混合電動汽車(I-IEV,用電池為電動汽車的正常運行提供能量,而加速和爬坡時可以由超大容量電容器來

16、補充能量,另外,用超大容量電容器來存儲制動時產生的再生能量。在電動車輛行駛時,起步快,加速快,爬坡能力強。完全用超大容量電容器作為主電源的電動汽車,目前正成為各國科學家積極追求的目標。核心技術只掌握在少數國家中。電容電動汽車已投入到俄羅斯公交線路上運營,性能良好。我國于2001年在哈爾濱研制出首輛超級電容電動車,以60km, h速度行駛。目前世界各國都在積極研制用于電動汽車上的超大容量電容器。其中俄羅斯研究的最為成功。歐洲的ECN也正在研制EV-Supercap項目。2.3智能水表傳統(tǒng)的智能水表,在控制水閥開啟和關斷時,普遍采用的方法是內裝鋰電池。由于智能水表都沒有設計再充電電路,鋰電池使用到

17、一定時間后,將無法為控制電路提供能量,不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表,這對于水表生產廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事。更危險的是,電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機的,如果不精確和及時地監(jiān)測電池電量,將無法可靠地關斷水閥,造成無法計費、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點,直接影響到它的推廣和使用。為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問題,以往各廠商想盡各種辦法,都沒有取得非常有效、實用、經濟的辦法。目前已有不少廠家嘗試一種全新的方案,那就是用超大容量電容器代替鋰電池應用于智能水表。與內裝鋰電池的智能水表相比較,這種方案是用超大容量電容器替換鋰電池,封裝在水表中,

18、同時外接電池供電。平時電池提供水表電路所需能量和對超大容量電容器充電,在需要開啟水閥時,先檢測超大容量電容器是否存儲足夠能量,如果沒有存儲足夠能量,將不開啟水閥,當檢測它存儲足夠能量時,由外接電池提供能量將水閥開啟:在需要關斷水閥時,如果外接電池不能提供能量將水閥關斷,那么超大容量電容器將在此刻提供能量來關斷水閥。該方案將電池從水表中分離出來,從而可以不考慮電池壽命對水表的影響,延長了水表的使用時間。超大容量電容器的大電流放電特性保障了水閥關斷的可靠性,在外接電池電量不足時,仍能利用存儲在超大容量電容器上的能量將水閥關斷。如果電池電量不足，用戶可以隨時更換。這樣，不僅 使電路設計簡化，減少產品

19、的出廠檢驗工序，還使產品的成本降低。 24 軍事方面 現(xiàn)代軍用工業(yè)突發(fā)猛進， 已相繼發(fā)展了新一代激光武器、粒子束武器、潛 艇、導彈以及航天飛行器等高功率軍事裝備。這些裝備在發(fā)射階段除裝備有常規(guī) 高比能量電池外，還必須與超大容量電容器組合才能構成“致密型超高功率脈沖 電源”，通過對脈沖釋放率、脈沖密度、峰值釋放功率的調整，使脈沖電起飛加 速器、 電弧噴氣式推進器等裝置能實現(xiàn)在脈沖狀態(tài)下達到任何平均功率水平的功 率狀態(tài)。此外，軍事用途的載重卡車、裝甲車輛、電動車輛在惡劣條件下，如啟 動、爬坡、剎車等過程，也必須使用電池與超大容量電容器組合的動力裝置，即 “混合動力系統(tǒng)”。2l 世紀軍隊及武警部隊應

20、實現(xiàn)全部裝備(包括武器、通信設 備、防護系統(tǒng)等數字化。據統(tǒng)計每個士兵所必需的電源功率約為 350 W ，以工 作時間 24 h 計，總能量達 85 l ，重量達 85 kg。若采用混合電池電容系統(tǒng)， 可比配置單一電池的裝備重量減輕 59，大大降低每個士兵的負擔。 25 太陽能與風力發(fā)電 對于局部的電源供應，太陽能是最方便的電源，因此太陽能電池已經成為宇 宙飛船，人造衛(wèi)星和星際航天站等的主要電源之一，并相繼用于地面上的許多特 殊地方， 如航道燈塔、 無人值守系統(tǒng)、 高山氣象臺、 沙漠地區(qū)考察和邊防哨所等。 在現(xiàn)代城市中，太陽能照明在節(jié)能的同時還減少了鋪設電纜的麻煩，因此在高速 公路、公園、廣場、

21、居民小區(qū)，旅游區(qū)等作為照明、裝飾、指示性標志的光源具 有廣泛的應用，使用太陽電照明是北京舉辦“綠色奧運”的重要組成部分。作為 太陽能發(fā)電重要組成部分的儲能裝置要求存儲容量大、工作壽命長，可以進行瞬 間充電以適應天氣的變化、無記憶效應以及免維護等。但是大量蓄電池在復雜環(huán) 境下的運行和維護費用比較昂貴， 并且在高溫和反復充放電的應用條件下會縮短 使用壽命。超大容量電容器因其具有十萬次以上的深度充放電循環(huán)壽命和免維 護、高可靠性等特點，使得替換蓄電池成為可能并可以大大降太陽能發(fā)電系統(tǒng)的 總運營成本。另外微型和小型超大容量電容器還可與太陽能電池并聯(lián)使用，作為 貯能元件用于太陽能手表，太陽能計算器或其它

22、太陽能應用方面。日本 Matsush ita 公司生產的 Up-Cap 電容器已經用于光伏發(fā)電的功率負載上。 26 內燃機車啟動 目前國內內燃機車是用蓄電池組來啟動柴油發(fā)電機組， 沒有使用其它輔助裝 置。蓄電池組存在充電時間長、壽命短、運行維護費用高、污染環(huán)境等方面的問 題。如果用電容器作為電啟動的輔助裝置，則可以很好地解決這些問題，改善電 啟動的性能，但傳統(tǒng)電容器的電容量不能滿足內燃機車蓄電池組的要求。使用超 大容量電容器作為內燃機車電啟動的輔助裝置， 非常適用在頻繁啟動的調車機車 上， 短時待機時就可隨時停機， 沒有任何限制， 這樣既降低了柴油機的機械磨損， 又節(jié)省了燃油。在安裝電啟動輔助

23、裝置后，超大容量電容器與柴油機的電啟動蓄 電池并聯(lián)使用，在柴油機啟動時，由于 3050 以上的啟動電流來自于超大 容量電容器，蓄電池的負擔要比過去小得多。薛洪發(fā)將超大容量電容器和蓄電池 聯(lián)合工作時的研究發(fā)現(xiàn)，與單獨使用蓄電池組啟動比，在蓄電池組輸出電流降低 28的情況下，啟動發(fā)電機的輸入電流增加了 43，端壓最低值升高了 45， 啟動瞬時功率提高了約 100，啟動時間縮短。發(fā)現(xiàn)采用大容量電容器輔助啟動 裝置后，大大降低了蓄電池成本。另外，柴油機旋轉加速度增加，提高了燃油點 燃質量，縮短了柴油發(fā)電機組的啟動時間，確保了啟動的可靠性，特別是在低溫 以及蓄電池組電量不足或參數變壞時，尤為明顯。電化學電容器可用于各種大型 載重和特種車輛以及船舶的電啟動裝置上。 延長蓄電池使用壽命， 降低運營成本， 提高經濟效益。目前在國內正處于實驗階段。 27 電力系統(tǒng)中 電站直流控制 高壓變電站及開關站使用的絕大多數是