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超级电容器的现状及应用
超级电容器具有功率密度高(大于1kW·kg-1 ,甚至几十 kW·kg-1)、寿命长(105次以上)、使用温度宽(-40～60℃)及充电迅速(<3min)等优异特性,各国政府和公司都积极开展此方面的研究开发工作,并已有各种产品得到了商业应用。美国能源部已对研制全密封超级电容器制定了目标,其近期目标(1998～2003年)为:功率密度达到500W·kg-1,能量密度达到 5Wh·kg-1;远期目标(2003年以后)为:功率密度达到1500W·kg-1,能量密度达到15Wh·kg-1。目前,俄罗斯、美国、日本等国就超级电容器已开展了大量研究工作,
图1 双电层超级电容器、电化学电容器与可充电电池及燃料电池的能量密度、功率密度比较
表2 几种电化学储能器件的性能比较
| 电化学储能器件 | 能量密度(Wh·dm-3) |
功率密度(W·dm-3)
|
循环寿命/次
|
| 电池 | 50～250 | 150 | <104 |
| 电化学电容器 | 5 |
>105
|
>105 |
| 普通物理电容器 |
0.05
|
>108 | >106 |
并取得了一定的进展，90年代初,两家俄罗斯公司Econd和ELIT开始销售超级电容器,采用碳复合体及水系电解质,额定电压在12～450V,容量从1法拉到几百法拉,RC常数大约为0.3s,这些超级电容器适用于需要大功率的启动动力的场合。日本松下公司的圆柱型超级电容器,采用碳材料及有机电解质,额定电压为3V,容量800～3000F,功率密度1000W·kg-1 。美国Maxell公司方形超级电容器,采用碳布与铝箔复合及有机电解质,额定电压为3V,容量1000～2700F。最近日本的EPCOS公司也已开发出同类产品,准备推向市场。法国SAFT公司的33680型超级电容器额定电压为3V,单体重量为95g,比能量4.8Wh·kg-1,比功率3.4kW·kg-1。此外,美国Powerstor、Evans公司和Los Alamos National Lab、Pinnacle Research Insitute,日本NEC公司,澳大利亚Cap-xx公司、韩国NESS公司等在超级电容器方面的研究也很活跃。
表3 列出了目前国外超级电容器的研究现状。
|
公司
|
国家
|
技术基础
|
电解质
|
结构
|
规格
|
|
PowerSto
|
美国
|
凝胶碳
|
有机
|
卷绕式
|
3～5V,7.5F
|
|
Skeleton
|
美国
|
纳米碳
|
有机
|
预烧结碳-金属复合物
|
3～5V,250F
|
|
Maxw ell
|
美国
|
复合碳纤维
|
有机
|
铝箔、碳布
|
3V,1000～2700F
|
|
Superf arad
|
瑞典
|
复合碳纤维
|
有机
|
碳布+粘合剂、多单元
|
40V,250F
|
|
Cap-xx
|
澳大利亚
|
复合碳颗粒
|
有机
|
卷绕式、碳颗粒+粘合剂
|
3V,120F
|
|
ELIT
|
俄罗斯
|
复合碳颗粒 |
硫酸
|
双极式、多单元
|
450V,0.5F
|
|
NEC
|
日本
|
复合碳颗粒 |
水系
|
碳布+粘合剂、多单元
|
5～11V,1～2F
|
|
Panasonic
|
日本
|
复合碳颗粒 |
有机
|
卷绕式、碳颗粒+粘合剂
|
3V,800～2000F
|
|
SAFT
|
法国
|
复合碳颗粒 |
有机
|
卷绕式、碳颗粒+粘合剂
|
3V,130F
|
|
Los Alamos Lab
|
美国
|
导电聚合物薄膜
|
有机
|
单一单元,导电聚合物薄膜PFPT+碳纸
|
2.8V,0.8F
|
|
ESMA
|
俄罗斯
|
混合材料
|
KOH
|
多单元、碳+氧化镍
|
1.7V,50000F
|
|
Evans
|
美国
|
混合材料
|
硫酸
|
单一单元、氧化钌+锂箔
|
28V,0.02F
|
|
Pinnacle
|
美国
|
混合金属氧化物
|
硫酸
|
双极式、多单元、氧化钌+锂箔
|
15V,125F
|
|
US Army
|
美国
|
混合金属氧化物
|
硫酸
|
双极式、多单元、含水氧化钌
|
5V,1F
|
可以发现,研究及商业化的超级电容器大部分采用了碳材料作为电极材料。但是, 为进一步提高电容器的性能,碳电极材料还存在很多问题,有待进一步改进。超级电容器因其优异特性而使其在各个领域得到了广泛应用,如用做存储器、微型计算机、系统主板和钟表等的备用电源;用做电动玩具车主电源、内燃机中启动电力、太阳能电池辅助电源,还可应用于航空航天等领域。电动汽车对动力电源的要求引起了全世界范围对超级电容器这一新型储能装置的广泛重视。传统动力电池在高功率输出、快速充电、宽温度范围使用以及寿命等方面存在一定的局限性,有些苛刻条件可能会显著降低电池的寿命。而超级电容器能较好地满足电动车在启动、加速、爬坡时对功率的需求,若与动力电池配合使用,则可减少大电流充放电对电池的伤害,延长电池的使用寿命,同时还能通过再生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中,提高能量利用率。因而,超级电容器是近年来电动车动力系统开发中的重要领域之一。
美国Maxell 公司所开发的超级电容器已在各种类型电动车上都得到良好应用。本田公司在其开发出的第三代和第四代燃料电池电动车FCX-V3和FCX-V4中分别使用了自行开发研制的超级电容器来取代二次电池,减少了汽车的重量和体积,使系统效率增加,同时可在刹车时回收能量,测试结果表明,使用超级电容器时燃料效率和加速性能均得到明显提高,启动时间由原来的10min缩短到10s。此外,法国SAFT公司,澳大利亚Cap-xx公司、韩国NESS公司等也都在加紧电动车用超级电容器的开发应用。
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