超級電容器應用現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)探析

李俊赤

（廣東聯(lián)盈控電子科技公司，廣東 東莞 523000）

0 前言

超級電容器是一種利用雙電層原理的電容器，電容量極大；具有高功率密度的特性，具有常規(guī)電池10倍左右的功率密度，通常可以與電池配合補償電池的功率密度不足的問題。

雙電層超級電容器（以下稱為超級電容器）小功率應用：小功率應用中的超級電容器一般為10F以下，對應用于如智能電表、智能水表、智能燃氣表等，其特征為提供短時脈沖功率，如電磁閥、無線抄表等功能的額脈沖功率提供。也可以應用于其他小功率短時脈沖電能提供，以解決小型電池對短時脈沖功率不足的需求[1]。

超級電容器中等功率應用：10～500F超級電容器可用于如風電變槳電源、汽車啟動輔助電源、變電所操作電源等。

超級電容器大功率應用：500F以上的超級電容器可以用于電動公交車，可以實現(xiàn)短時完成充電的特點。

超級電容器通常采用乙氰為電解液的溶劑，揮發(fā)性高于甲醇。因此超級電容器的高溫壽命大多在65℃/1000～1500h，常溫壽命可以達到10年，或完全充放電100萬次，最大能量密度為6Wh/kg。

1 超級電容器應用中的問題

1.1 壽命與可靠性問題

高溫壽命短是超級電容器的最大弱點，在50℃環(huán)境溫度下的實際壽命約一個暑期，而不是十年，很多應用證明了這個問題。

很多應用中希望超級電容器具有強放電能力，高放電電流。但是經(jīng)濟型超級電容器采用電解電容引線方式，如圖1所示。

圖1 電解電容器電極引出方式

如導針的引線方式，由于導針與鋁箔之間電接觸的鉚花在超級電容器需要承擔全部電流，由于電解電容器應用特性決定了電解電容器所流過的紋波電流相對較小，一般小于5A[2]。而超級電容器則需要短時輸出10A甚至更高的峰值電流，這時鋁箔與鉚花之間的接觸電阻將影響所承受的電流能力將制約超級電容器的可靠性；插腳式電解電容器采用導流條與鋁箔鉚接形式，通常每個電極采用兩個導流條?？梢猿惺芗s10A的紋波電流。采用插腳式封裝的超級電容器通常在100F以上，應用希望可以提供峰值電流達100A甚至更高。對于導流條以及導流條與鋁箔間的鉚花將承受遠高于電解電容器的峰值電流，與導針式超級電容器一樣，存在著導流條、鉚花的電流承受能力制約超級電容器可靠性的問題。

導針或插腳式封裝形式的電極不僅完成電極引出功能，還要完成對超級電容器固定功能。由于導針或插腳所實現(xiàn)的機械固定，在遭受震動或承受外界機械應力時，會導致導針與膠塞之間的密封性變差，對于應用乙二醇作為電解液溶劑的電解電容器來說，受外力后的密封性是沒有問題，但是對于應用乙氰作為電解液溶劑的超級電容器就顯得密封性變差，因此常見在超級電容器電極受到外力沖擊后而導致漏液現(xiàn)象導致超級電容器早期失效。

因此，對于大電容量（500F以上）的超級電容器對采用MAXWELL的鋁箔邊緣引出電極方式[3]。以解決鉚花等帶來的接觸電阻大和電流承受問題。同時，超級電容器的機械固定不再采用電極，固定超級電容器的不再是機械強度差的導針和插腳，如圖2所示。

圖2 MAX WELL的超級電容器

1.2 自放電相對比較大

相對電池，超級電容器的自放電比較大，以600F超級電容器為例，數(shù)據(jù)表標注為3mA，實際可以達到1mA，從額定電壓2.7V放電到1.35V的時間為225h，不到10天?？梢哉J為有效電荷維持時間2～3天，不適于長期電荷存儲。如圖3。

圖3 超級電容器自放電特性

圖中表明超級電容器自放電為每12小時降低0.1V。這個典型值比實際的大一些，但基本相符。

而鋰電池的電荷維持能力可以是0.5%/月，自放電極小。

1.3 放電過程端電壓變化大

超級電容器放電特性為電容器特性，在放電過程中為線性下降特性，如圖4。與電池的接近平直特性相比，電壓變化范圍過大，后級的功率變換器需要適應寬電壓范圍，或者加一級DC/DC變換器穩(wěn)定電壓。

圖4 超級電容器與電池放電特性

超級電容器與電池匹配使用時需要將在超級電容器與電池之間加DC/DC變換器來保證兩者的電壓匹配。

1.4 1～60s是超級電容器的應用范圍

超級電容器的性能決定了其優(yōu)勢應用范圍，即1～60s放電時間。短于1s電解電容器具有優(yōu)勢，長于60s則電池具有優(yōu)勢。圖5為5000F超級電容器的放電特性。

圖5 5000F 超級電容器放電特性

在實際應用中超級電容器放電一般僅能釋放到儲能的一半。對應圖中的完全釋放電荷的時間隨之減少70%。

5000F超級電容器重量為850克。相同的850克重量的動力鋰電池約100Wh，對應約30Ah，按功率型在短時放電能力5C計算，30Ah功率型動力鋰電池可以釋放150A峰值電流，接近于同等重量的超級電容器短時放電能力，同時具有更好的放電時電壓的平穩(wěn)性。

相對于鈦酸鋰電池，850克約70Wh，對應約30Ah，持續(xù)放電能力可以持續(xù)150A放電不影響電池壽命，甚至可以900A的汽車起動電流沖擊。超過超級電容器的放電能力[4]。

1.5 超級電容器的優(yōu)勢和劣勢

相對于電池，超級電容器的優(yōu)勢在于相對高的功率密度和良好的低溫特性。

傳統(tǒng)電池（干電池、蓄電池）在低溫環(huán)境溫度（如–20℃以下）條件下將嚴重丟失電能，甚至無法應用。這是電池的最大弱點之一，也是超級電容器可以發(fā)揮隨著電池技術的發(fā)展與應用特性的原因。

隨著低溫型動力鋰電池以及鈦酸鋰電池的問世，超級電容器的低溫優(yōu)勢不再。

超級電容器能量密度過低導致體積相對電池、鋰離子超級電容器龐大、笨重，在電動公交車應用中占有重量過大。

1.6 性價比處于劣勢

盡管超級電容器的價格不斷下降，基本觸底。大電容量超級電容器的單位價格約為35元/Wh，而動力鋰電池的價格約1.5元/Wh，單位能量價格是動力鋰電池的23倍之多，動力鈦酸鋰電池單位價格約為5～6元/Wh，超級電容器單價是鈦酸鋰電池的6～7倍。

除非低溫，除非高放電倍率，超級電容器與鋰電池相比，毫無優(yōu)勢可言。

近年來高放電倍率，耐低溫的鈦酸鋰電池的開始應用，超級電容器的優(yōu)勢蕩然無存。

2 超級電容器與鋰電池性能對比

2.1 能量密度

我國動力鋰電池能量密度接近240Wh/kg，而超級電容器能量密度為6Wh/kg，相差40倍。即使是實用化的動力鋰電池的能量密度一般也達到150Wh/kg。低溫型（可在–30℃工作不影響性能）為110Wh/kg。分別為超級電容器的25倍和18倍。

實用化的鈦酸鋰電池能量密度在85～90Wh/kg，是超級電容器的14～15倍。

如果僅僅是能量密度，沒有充放電承受能力和最低工作溫度性能，這些高性能也會被低溫和高倍率充放電要求所拋棄。

2.2 低溫特性

超級電容器最低工作溫度–40℃，動力鋰電池為–15℃，低溫型動力鋰電池為–30℃，鈦酸鋰電池據(jù)稱–50℃。

2.3 放電能力與充電承受能力

超級電容器可以在5s內(nèi)全部釋放電荷，充電一般需要30s充滿，可以在10s內(nèi)充電到80%。

能量型動力鋰電池的充電一般限制在0.3～1C，放電限制在1～3C；功率型動力鋰電池的充電一般限制在1～2C，可以在15min內(nèi)充電80%；

在快充狀態(tài)下，動力鋰電池組溫度可以限制在42℃（滿足Ip67的液冷方式）。

鈦酸鋰電池據(jù)稱可以以5～10C倍率充放電，甚至30C倍率以上短時放電。

2.4 綜合性能對比

超級電容器，動力鋰電池，鈦酸鋰電池綜合性能對比如表1。

表1 綜合性能對比

從表中可以看到，在常溫狀態(tài)下，超級電容器在綜合性能上毫無優(yōu)勢可言（30秒以內(nèi)的短時脈沖電流除外）；最低環(huán)境溫度在不低于–30℃狀態(tài)下，低溫型動力鋰電池綜合性能遠優(yōu)于超級電容器；環(huán)境溫度低于–30℃條件下，鈦酸鋰電池性能遠優(yōu)于超級電容器。

放電時間超過1min，超級電容器由于存儲電荷所限，其放電能力不如鈦酸鋰電池甚至不如功率型動力鋰電池。

3 超級電容器越界應用

超級電容器適用的工作范圍是放電時間1～60s，超過1min，超級電容器的強放電能力急劇下降。

所謂越界應用是指超級電容器作為長時間（大于60s）放電應用。這樣對應的放電電流將大大減小甚至比電池放電電流還低，失去了超級電容器優(yōu)勢。

最典型的應用就是“站站”充電的公交車，其優(yōu)勢是可以利用公交車停站的短時間內(nèi)對超級電容器充電，這是電池無法做到的[5]。

需要注意的是，長時間的超級電容器放電受電荷限制，放電電流隨時間的延長變得很低。由圖5，5000F超級電容器的60s有效放電，只能為67A，僅相當于相同重量的動力鋰電池的2C放電倍率。如果是600s放電則僅僅能輸出不到7A電流，遠低于相同瓦時動力鋰電池的放電能力。

隨著鈦酸鋰電池在公交車上應用，完全可以采用終點交接車過程的5～10min充電方式將電池充滿電。完全替代超級電容器站站充電方式，簡化車站建設投資。

甚至可以采用功率型動力鋰電池，在15min內(nèi)充電80%。

在低溫狀態(tài)下，低溫型動力鋰電池可以在–30℃環(huán)境溫度下正常工作。

4 結語

隨著低自放電、高放電倍率鈦酸鋰電池越來越多的應用，由于電壓等級完全兼容，越來越多的超級電容器應用領域被直接替代，從智能電表、水表、燃氣表到電動汽車。由于低溫型動力鋰電池解決了低溫運行問題以及鈦酸鋰電池的優(yōu)異低溫特性，使得超級電容器特性不再具有優(yōu)勢。功率型動力鋰電池和鈦酸鋰電池的允許快充特性和高倍率放電特性，令超級電容器在新能源領域基本沒有優(yōu)勢。綜上所述，超級電容器基本完成了歷史使命并將退出歷史舞臺。