超級電容器技術(shù)及其低碳經(jīng)濟意義

王東杰

(浙江海洋學(xué)院油氣儲運系 浙江 舟山 316000)

竺哲欣

(浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系 浙江 杭州 310018)

竺江峰

(浙江海洋學(xué)院物理實驗教學(xué)中心 浙江 舟山 316000)

1 引言

如果有人告訴你，印度洋上的島國馬爾代夫有一天會永遠(yuǎn)消失，你是否會相信？這并非危言聳聽.由于溫室氣體過量排放，地球氣候已經(jīng)開始以超出2 ℃的地球生態(tài)警戒線升溫.人類渴望尋找到一種綠色環(huán)保的可再生能源來替代現(xiàn)有的污染嚴(yán)重的一次性能源，超級電容器的問世為人類的可持續(xù)發(fā)展帶來了福音.作為一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲能元件——超級電容器具有超大容量、高功率密度、長循環(huán)壽命、充放電效率高、免維護、經(jīng)濟環(huán)保等特點，引起了世界廣泛的關(guān)注.美國《探索》雜志2007年1月號，將超級電容器列為2006年世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一，認(rèn)為超級電容器是能量儲存領(lǐng)域的一項革命性發(fā)展，并將在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池.

2 超級電容器的結(jié)構(gòu)與儲能原理

2.1 超級電容器的結(jié)構(gòu)

超級電容器主要由電極、電解液、集電極、隔膜、連線極柱、密封材料和排氣閥組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.電極的材料、制造技術(shù)，電解質(zhì)的組成和隔膜質(zhì)量對超級電容器的性能有較大影響[1].超級電容器中，多孔化電極采用活性炭粉和活性炭纖維，電解液采用有機電解質(zhì)，如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨.

由圖1可見，其多孔化電極是使用多孔性的活性炭,有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲巨大的靜電能量.超級電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間的[2].

圖1 超級電容器結(jié)構(gòu)圖

2.2 超級電容器的儲能原理

圖2為儲能原理示意圖.當(dāng)外加電壓加到超級

圖2 超級電容器原理圖

電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負(fù)極板存儲負(fù)電荷，在超極電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大.

當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)(通常為3 V以下[3])；若電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài).由于隨著超級電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少.由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng).因此性能穩(wěn)定，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同[2].

3 超級電容器的優(yōu)點[4]

3.1 超高的容量

超級電容器容量范圍為0.1～6 000 F，比同體積的電解電容器容量大2 000～6 000倍.

3.2 功率密度高

超級電容器能提供瞬時的大電流，在短時間內(nèi)電流可以達(dá)到幾百甚至幾千A，其功率密度是電池的10～100倍，可達(dá)到10×103W/kg左右.

3.3 充放電效率高使用壽命長

超級電容器的充放電過程通常不會對電極材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，材料的使用壽命不受循環(huán)次數(shù)的影響，充放電循環(huán)次數(shù)在105以上.

3.4 放置時間長

長時間放置，超級電容器的電壓會下降，再次充電可以充到原來的電位，對超級電容器的容量性能無影響.

3.5 溫度范圍寬

通常為- 40 ℃～+70 ℃.超級電容器電極材料的反應(yīng)速率受溫度影響不大.

3.6 免維護材料環(huán)保

超級電容器用的材料是安全、無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池用的材料具有毒性.

4 超級電容器在低碳經(jīng)濟中的應(yīng)用

超級電容器的應(yīng)用范圍極為廣泛，小到存儲器的備用電源、電動玩具的電源，大到航天導(dǎo)彈發(fā)射的大功率啟動系統(tǒng)、電動汽車的能量功率系統(tǒng)等.一切與能量功率相關(guān)的儀器設(shè)備系統(tǒng)均有超級電容器的身影.

4.1 超級電容器在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

上千法級的超級電容器可用作電動汽車的短時驅(qū)動電源，可以在汽車啟動和爬坡時快速提供大電流從而獲得大功率以提供強大的動力；在正常行駛時由蓄電池快速充電；在剎車時快速存儲發(fā)電機產(chǎn)生的瞬時大電流，回收能量.這可以減少電動汽車對蓄電池大電流放電的限制，極大地延長蓄電池的循環(huán)使用壽命，提高電動汽車的實用性[5].

2007年底，日本小松叉車推出采用超級電容器與蓄電池混合動力技術(shù)的電動叉車.日本本田公司將雙電層電容器與汽油機相結(jié)合，研制出一種綜合電動機助力器系統(tǒng)，使內(nèi)燃機主要工作在最佳工作點附近，大大降低內(nèi)燃機的排放，并可回收制動能量；若裝在小客車上可極大地降低汽油機燃油消耗量，成為低排放的節(jié)能汽車.日本豐田公司研制的混合電動汽車，其排放與傳統(tǒng)汽油機車相比CO2下降50%，HC、CO和氮的氧化物排放降低90%，燃油節(jié)省一半.

目前，我國采用純超級電容動力技術(shù)的電動汽車已投入運行.由哈爾濱市某公司生產(chǎn)的國內(nèi)首臺電容電動公交車在山東煙臺試運成功.該車有充電時間短，行駛里程長的特點，一次充電15 min便能連續(xù)行駛25 km，最高時速可達(dá)52 km，這一創(chuàng)新成果在單純以電容為能源的國際電動車領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先.除此之外還有北京市的“前門一號”以及上海市的11路公交車，也都采用純超級電容器作為驅(qū)動電源.純超級電容器車具有以下優(yōu)點：

(1)綠色無污染，零排放；

(2)充電速度快，充放電效率高，循環(huán)使用壽命長；

(3)剎車再生能量回收率高，真正實現(xiàn)免維護等.

4.2 超級電容器在風(fēng)力發(fā)電與太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

在風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)力與太陽能的不穩(wěn)定性，會引起蓄電池反復(fù)頻繁充電，結(jié)果大大縮短電池壽命.利用雙電層電容器吸收或補充電能的波動，可以輕松解決這一問題，從而使人類更多地利用綠色能源，促進低碳經(jīng)濟的發(fā)展.此外，在有瞬間強負(fù)載系統(tǒng)中，利用雙電層電容器可以起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，減少系統(tǒng)電源容量配制的作用.

4.3 超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

大容量超級電容器的另一個重要應(yīng)用在電力系統(tǒng)上，運用超級電容器進行重要系統(tǒng)的瞬態(tài)穩(wěn)壓穩(wěn)流，特別是在大功率系統(tǒng)上，幾乎是不可替代的器件[6].在這方面，據(jù)華北電力大學(xué)電能質(zhì)量研究所的調(diào)查，在眾多大型石化、電子、紡織等企業(yè)，各企業(yè)每年因電力波動的損失高達(dá)上千萬元人民幣；另外，芯片企業(yè)在選址時考慮電力的波動也是一個非常重要的環(huán)節(jié)，而超級電容器系統(tǒng)則可以完全解決這個問題.

4.4 超級電容器在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，超級電容器在短時UPS系統(tǒng)、汽車防盜系統(tǒng)、汽車音響系統(tǒng)、免維護系統(tǒng)等領(lǐng)域均具有非常廣泛的應(yīng)用.由于超級電容器儲能高、循環(huán)壽命長、質(zhì)量輕，還可用做存儲器、微型計算機、系統(tǒng)主板和鐘表等的備用電源.

5 超級電容器的前景

超級電容器技術(shù)是一項意義相當(dāng)重大的技術(shù)，這項技術(shù)一旦進入成熟的工業(yè)生產(chǎn)，將替代包括從電動汽車到筆記本電腦的一切電化學(xué)電池.按照2006年4月發(fā)表的專利，EEStor公司發(fā)明的能量存儲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，它并不是電池而是一種超級電容器，它在5 min內(nèi)充的電能可以讓一個電動車走500 mile，電費只有9美元.而燒汽油的內(nèi)燃機車走相同里程則要花費60美元.

與傳統(tǒng)的電化學(xué)電池相比，超級電容器有很多優(yōu)點.它可以無限制地接受無數(shù)次放電和充電，超級電容器沒有“記憶”.由EEStor公司開發(fā)的超級電容器，由于鋇鈦酸鹽有足夠的純度，存儲能量的能力大大提高.該超級電容器的能量密度可達(dá)0.28×103W·h/kg；而鋰電池是0.12×103W·h/kg，鉛酸電池只有0.032×103W·h/kg.這就讓超級電容器有了可用在從電動車、起搏器到現(xiàn)代化武器等多種領(lǐng)域的可能.好的鉛酸電池能充電500～700次，而新的超級電容器可反復(fù)充電100萬次以上也不會出現(xiàn)材料降解問題.而且，由于它不是化學(xué)電池，而是一種固體狀態(tài)的能量儲存系統(tǒng)，不會出現(xiàn)鋰電池那種過熱甚至爆炸的危險，沒有安全隱患.

超級電容器的發(fā)明不僅從根本上改變了電動汽車在交通運輸中的位置，也將改進諸如風(fēng)能、太陽能等間歇式能源的利用性能，增進了電網(wǎng)的效率和穩(wěn)定性，滿足人們能源安全的需求，減少對石油的依賴.顯然，該突破也對下一代鋰電池的研制者造成威脅.

我們可以設(shè)想一下：如果世界上所有的汽車都是用超級電容器來驅(qū)動的話，那么“低碳時代”還會遠(yuǎn)嗎？

6 結(jié)束語

超級電容器是20世紀(jì)70、80年代發(fā)展起來的一種新型儲能器件.在20世紀(jì)80年代初我國學(xué)者就注意到了雙電層電容器的研究[7]，但國內(nèi)對超級電容器的研究始于90年代后期.盡管國內(nèi)在超級電容器領(lǐng)域的研究和開發(fā)的起步較晚，但發(fā)展勢頭不容忽視.

說起綠色能源，人們通常想到的是太陽能、風(fēng)能、生物能、氫能等等.不過，從技術(shù)角度和人類長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展來看，超級電容器才是21世紀(jì)低碳經(jīng)濟中最理想的儲能再生動力電源.超級電容器技術(shù)也不愧是低碳經(jīng)濟中的黃金技術(shù).

參考文獻(xiàn)

1 儲軍，陳杰，李忠學(xué). 電動車用超級電容器充放電性能的實驗研究. 機械，2004，31(3)：20～22

2 陳永真, 孟麗囡, 寧武 .超級電容器原理及電特性. 遼寧工學(xué)院學(xué)報，2002

3 M．Endo, T．Takeda, Y．J．Kim, et at． High Power Electric DoubleLayer Capacitor(EDLC′s) ； from Operating Principle to Pore SizeControl in Advanced Activated Carbons． Carbon Science，2001，1(3&4)：117～128

4 陳英放，李媛媛，鄧梅根 .超級電容器的原理及應(yīng)用. 電子元件與材料,2004(4): 6～9

5 Mike D著. 張魯濱譯.超級電容器應(yīng)用于汽車的優(yōu)勢及前景 . 汽車維修與保養(yǎng), 2004(5): 53～55

6 Maxwell T, Robert T. 超級電容器提供重要的高功率特性 . 電子產(chǎn)品世界, 2004(20): 83～86

7 董恩沛. 雙電層電容器.電子科學(xué)技術(shù),1981(8): 19～21