超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)及其在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用分析

潘 璐

（上海交通大學(xué)，上海200051）

0 引言

從目前來(lái)看，制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素是續(xù)駛里程短，因此通常采用再生資源制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)能工具的開(kāi)發(fā)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽杂行а娱L(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離。在現(xiàn)代高科技的發(fā)展過(guò)程中，由于大量出現(xiàn)大型裝配系統(tǒng)，使得電源系統(tǒng)既要具備高能量，又要具有較高的比能量，超級(jí)電容器就是在這個(gè)背景之下產(chǎn)生的。

1 原理

超級(jí)電容器是一種具有法拉級(jí)超大電容量的新型儲(chǔ)能器件，其介于傳統(tǒng)的電容器和蓄電池之間，功率密度是普通電池的10倍以上，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的充電和放電。超級(jí)電容器利用電極和電解質(zhì)之間的雙層界面來(lái)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)，當(dāng)電極和電解液接觸時(shí)，由于分子力和庫(kù)侖力的作用，固液界面出現(xiàn)電荷符號(hào)相反的雙層結(jié)構(gòu)，這就是用來(lái)存儲(chǔ)能量的雙層電荷。

2 分類(lèi)

按照材料和性質(zhì)的不同，可以將超級(jí)電容器分為不同的種類(lèi)。按照超級(jí)電容器的電極材料可將其分為以下3種：導(dǎo)電聚合物電容器、貴金屬氧化物電容器和碳電極電容器。按照超級(jí)電容器的工作機(jī)理，可將其分為法拉第準(zhǔn)電容器和雙電層電容器。按照結(jié)構(gòu)和電極工作反應(yīng)，可將其分為對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器和非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器。對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器由2個(gè)相同的電極組成，并且電極的反應(yīng)相同、方向相反；如果2個(gè)電極的組成不同或是反應(yīng)不同，那么就稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)型電容器。按照超級(jí)電容器電解液的不同，又可以將其分為固體物電解質(zhì)電容器、有機(jī)系超級(jí)電容器和水溶液系超級(jí)電容器，選用有機(jī)系超級(jí)電容器可以獲得高電壓，從而獲得較高的比能量，選擇水溶液系超級(jí)電容器可以獲得高電源能量和比能量。

在現(xiàn)有的超級(jí)電容器中，碳電極電容器研究時(shí)間較長(zhǎng)，早在1962年標(biāo)準(zhǔn)石油公司就研究生產(chǎn)出了6 V工作電壓的碳材料電容器。近些年，該類(lèi)電容器中的碳材料也開(kāi)始進(jìn)行多種類(lèi)的研發(fā)，主要包括活性碳纖維、碳納米管等。貴金屬氧化物電容器主要采用貴金屬氧化物作為電極材料，比如RuO2等，由于其導(dǎo)電性比碳材料好，因而可以獲得更高的比能量，制造出來(lái)的電容器也具有更高的穩(wěn)定性，但是貴金屬資源價(jià)格昂貴并且有限，這就在一定程度上限制了貴金屬氧化物電容器的發(fā)展和應(yīng)用。導(dǎo)電聚合物電容器具有更高的性能，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)聚合物的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提升電容器的性能。

3 特點(diǎn)

超級(jí)電容器容量高，通常情況下是同體積電解電容器的2 000倍以上，其功率密度高，可以進(jìn)行瞬間的大電流放電，功率是普通電池的10倍以上；超級(jí)電容器充電時(shí)間短、速度快，普通的化學(xué)電池充滿要5 h左右，而超級(jí)電容器只需幾分鐘即可；超級(jí)電容器壽命長(zhǎng)，在給超級(jí)電容器充電時(shí)一般不會(huì)對(duì)電極材料產(chǎn)生影響，材料的使用壽命也不會(huì)受到循環(huán)充電的影響；超級(jí)電容器適用溫度范圍很寬，一般在－34～70℃之間，對(duì)于極限溫度和惡劣溫度的抵抗能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的蓄電池，因此超級(jí)電容器也常常應(yīng)用在軍事、航空領(lǐng)域和溫度環(huán)境惡劣地區(qū)，以滿足特殊的儲(chǔ)能需要。超級(jí)電容器是一種綠色環(huán)保能源，所使用的材料都是環(huán)保和安全無(wú)毒的，不會(huì)對(duì)使用者和環(huán)境產(chǎn)生影響。

目前，超級(jí)電容器的能量密度還不算高，而新的電極活性材料又極難開(kāi)發(fā)，因此，超級(jí)電容器需要大量串聯(lián)使用，這就帶來(lái)了充電電壓一致性的難題。因此，在進(jìn)行超級(jí)電容器的組裝時(shí)，要將電壓性能最接近的一組組裝到一起，以解決超級(jí)電容器的均壓?jiǎn)栴}。貴金屬氧化物超級(jí)電容器的材料貴重且稀少，會(huì)導(dǎo)致成本增加，因而難以進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。

4 應(yīng)用

超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：

4.1 汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)

現(xiàn)在的電動(dòng)汽車(chē)大多采用電機(jī)啟動(dòng)方式，在啟動(dòng)的瞬間，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的啟動(dòng)電流，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的蓄電池造成很大的損害。而超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)，可以向發(fā)動(dòng)機(jī)提供強(qiáng)大的電流支持以帶動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅可以提升電機(jī)啟動(dòng)速度，還能改善電動(dòng)汽車(chē)的性能和蓄電池的應(yīng)用狀態(tài)。

4.2 汽車(chē)制動(dòng)時(shí)

電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)消耗占總驅(qū)動(dòng)消耗的50%左右，若能有效地回收制動(dòng)能源，會(huì)使電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離延長(zhǎng)。超級(jí)電容器的脈沖放電性能和大容量的存儲(chǔ)性能都決定了其可以進(jìn)行制動(dòng)過(guò)程中的能量回收及再利用。

4.3 作為電動(dòng)汽車(chē)的輔助電源

將超級(jí)電容器作為電動(dòng)汽車(chē)的輔助電源，可以有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。在電動(dòng)汽車(chē)中加入超級(jí)電容器，車(chē)內(nèi)用于電制動(dòng)和電轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布線得以減少，可使電動(dòng)汽車(chē)的穩(wěn)定性得到提高。另外，超級(jí)電容器的使用還能提升電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向、座椅加熱等電系統(tǒng)的性能。

5 研究近況及發(fā)展趨勢(shì)

由于超級(jí)電容器具有使用壽命長(zhǎng)、功率密度高、適用溫度范圍寬和充放電快等優(yōu)點(diǎn)，世界多國(guó)政府和企業(yè)都已開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)工作，美國(guó)、瑞典、日本等國(guó)已經(jīng)將超級(jí)電容器應(yīng)用到了商業(yè)中。但是由于超級(jí)電容器也應(yīng)用在了軍事領(lǐng)域，具有一定的敏感性，因此國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)并不對(duì)外輸出其制造的關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)已經(jīng)將超級(jí)電容器的研究納入電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的重大課題中，并且通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和創(chuàng)新，在超級(jí)電容器的制作材料、工藝等方面都獲得了一定的進(jìn)展，同時(shí)也掌握了制造的核心技術(shù)，這就為我國(guó)自主研發(fā)超級(jí)電容器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。超級(jí)電容器在車(chē)輛領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)出了傳統(tǒng)動(dòng)力電池難以達(dá)到的高效性能，從而引起了人們對(duì)這一新型儲(chǔ)能裝置的廣泛重視。對(duì)未來(lái)超級(jí)電容器的發(fā)展，我們可以這樣預(yù)測(cè)，將超級(jí)電容器和蓄電池相結(jié)合，不僅可以減少大電流對(duì)電池的損害，還能主動(dòng)將制動(dòng)能源進(jìn)行回收再利用，提升能量的利用率。

6 結(jié)語(yǔ)

在開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能工具時(shí)，首先要了解電動(dòng)汽車(chē)的主要性能，再結(jié)合其應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。隨著電動(dòng)汽車(chē)的不斷發(fā)展，新型儲(chǔ)能工具也會(huì)不斷涌現(xiàn)，但是任何儲(chǔ)能工具都要符合電動(dòng)汽車(chē)的性能要求，節(jié)約資源，對(duì)有限的資源進(jìn)行最大化的利用。要從制造成本、產(chǎn)品性能等多方面來(lái)考慮儲(chǔ)能工具的開(kāi)發(fā)和利用，讓電動(dòng)汽車(chē)得到更好的發(fā)展。目前，超級(jí)電容器以其優(yōu)越的性能已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始了較為廣泛的應(yīng)用，研究部門(mén)應(yīng)該著力于提升其能量密度和功率密度，同時(shí)提高其價(jià)格在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)而促進(jìn)超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中更好地發(fā)揮作用。

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