超級(jí)電容器技術(shù)及其應(yīng)用分析

張譽(yù) 蔣良航

【摘 要】在電子信息時(shí)代，電力設(shè)備已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ撸梢源嫒藗兺瓿筛鞣N復(fù)雜的操作。當(dāng)前，電力設(shè)備的耗電需求不斷增加，對(duì)電容器的存儲(chǔ)量要求不斷提升。傳統(tǒng)電容器無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化電路運(yùn)行的要求，早期簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)逐漸被復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)形式取代。超級(jí)電容器應(yīng)運(yùn)而生，能夠有效地解決大負(fù)荷電路運(yùn)行難的問(wèn)題，確保電子設(shè)備正常發(fā)揮使用功能。

【關(guān)鍵詞】超級(jí)電容器;技術(shù);應(yīng)用

【中圖分類(lèi)號(hào)】TB332;TM53【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）04-0110-03

超級(jí)電容器作為一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，具有高度可逆的性質(zhì)，功率密度遠(yuǎn)超普通電容器。它具有充電效率高，無(wú)須維護(hù)，無(wú)毒無(wú)害，綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。與普通電池相比，超級(jí)電容器能量密度遠(yuǎn)低于普通電容器，這也導(dǎo)致超級(jí)電容器的發(fā)展受到限制。要積極加強(qiáng)對(duì)電容器的比容量研究，將超級(jí)電容器與普通電容器結(jié)合使用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足未來(lái)儲(chǔ)能器的發(fā)展需求。

1 超級(jí)電容器概念

1.1 超級(jí)電容器的概念和原理

超級(jí)電容器類(lèi)似于蓄電池，是具有強(qiáng)大的程度差異的儲(chǔ)能裝置，介于普通電池和普通電容器的超級(jí)電化學(xué)元件 [1]。超級(jí)電容器的儲(chǔ)能過(guò)程具有高度可逆性，而且是物理變化的過(guò)程，既可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)充放電，又不會(huì)對(duì)電容產(chǎn)生干擾。

1.2 超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理

超級(jí)電容器的核心是雙電層結(jié)構(gòu)，有外加電壓作用于普通電容器的兩個(gè)極板時(shí)，裝置儲(chǔ)能的電荷原理相同，正負(fù)電極和正負(fù)電荷一一對(duì)應(yīng)，在電場(chǎng)作用下，電解液和電極之間會(huì)發(fā)生相反電荷，分別位于不同的接觸面，電容器結(jié)構(gòu)組合的改進(jìn)，可以提高超級(jí)電容器的電容儲(chǔ)量。超級(jí)電容器兩極板之間的電勢(shì)小于電解液標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電容器處于正常工作狀態(tài)，根據(jù)超級(jí)電容器的反應(yīng)原理，在實(shí)際運(yùn)用中可能沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，僅發(fā)生物理性質(zhì)的變化，因此超級(jí)電容器的穩(wěn)定性更佳。

1.3 超級(jí)電容器的主要分類(lèi)

超級(jí)電容器根據(jù)不同的儲(chǔ)能原理可以分為雙電層電容器、混合型電容器和準(zhǔn)電容器等類(lèi)型，混合型電容器可以解決蓄電池功率密度低和能量密度低的缺點(diǎn)。從電極材料方面劃分，包括導(dǎo)電聚合物、超級(jí)電容器、貴金屬氧化物。從電極反應(yīng)狀況劃分，超級(jí)電容器包括對(duì)稱(chēng)型和非對(duì)稱(chēng)型兩種類(lèi)型。

2 超級(jí)電容器的主要特點(diǎn)

2.1 超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)

與普通電容器相比，超級(jí)電容器具有多方面的優(yōu)勢(shì)。利用超級(jí)電容器功率密度高的特點(diǎn)，能夠在電極或電解液界面中實(shí)現(xiàn)電荷的快速存儲(chǔ)與釋放，輸出功率高，這一特性任何普通電源都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。超級(jí)電容器不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，完全通過(guò)物理反應(yīng)的方式工作，能夠極大延長(zhǎng)超級(jí)電容器循環(huán)充放電的壽命，整個(gè)過(guò)程不會(huì)造成能量損耗，超級(jí)電容器只需要15 min就可以充滿(mǎn)容量 [2]。在超級(jí)電容器充滿(mǎn)以后，盡管依然有微量的電流，但是內(nèi)部并不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，或者產(chǎn)生新的物質(zhì)，電極在電解液中非常穩(wěn)定。有學(xué)者認(rèn)為超級(jí)電容器的儲(chǔ)能壽命可以無(wú)限延長(zhǎng)。超級(jí)電容器內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，也不存在維護(hù)工作量，可靠性更高。久置不用后，很多普通電池會(huì)發(fā)生電壓降低的問(wèn)題，但超級(jí)電容器的容量性能并不會(huì)隨之改變。超級(jí)電容器在生產(chǎn)運(yùn)輸和使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境污染的物質(zhì)，整個(gè)電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，可以直接對(duì)剩余電量進(jìn)行快速讀取，檢測(cè)十分方便。超級(jí)電容器通過(guò)對(duì)早期電容器進(jìn)行改良，其電容量可以達(dá)到法拉級(jí)別，更有效滿(mǎn)足復(fù)雜電路的運(yùn)行需要。超級(jí)電容器的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，沒(méi)有特殊充電電路和控制放電電路等電容器的整體使用，也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題。普通電容器無(wú)法進(jìn)行焊接，超級(jí)電容器可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行焊接處理，有效避免電池接觸不良等異常問(wèn)題，增強(qiáng)了電容器使用的可靠性。

2.2 超級(jí)電容器的缺點(diǎn)

超級(jí)電容器自身的能量密度非常低，這是目前超級(jí)電容器最主要的缺點(diǎn)，使得超級(jí)電容器的體積比較大。中科院金屬研究科研人員提出運(yùn)用電化學(xué)電荷注入的方式改變電極材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)正負(fù)電極材料的電化學(xué)電位進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到最佳的初始電位，使得組裝超級(jí)電容器在調(diào)控后的能量密度顯著增加。運(yùn)用電化學(xué)預(yù)包裹的方式，利用二氟草酸硼酸鋰的分解在正電極表面預(yù)先包覆一層納米尺度保護(hù)層，可以有效解決超級(jí)電容器隨能量密度增加使用循環(huán)壽命降低的問(wèn)題，利用鋰電子超級(jí)電容器的智能電芯，設(shè)計(jì)出實(shí)用的電芯結(jié)構(gòu)，有效減少?gòu)U舊電線(xiàn)處理造成資源浪費(fèi)的情況 [3]。超級(jí)電容器單體電壓非常低，受到電解溶液分解電壓的限制，與常規(guī)電解電容器相比，超級(jí)電容器自身的內(nèi)阻更大，不適用于交流電路。通過(guò)對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電容器安裝位置不合理也會(huì)引發(fā)電解質(zhì)泄漏等問(wèn)題，嚴(yán)重破壞電容器自身的結(jié)構(gòu)。超級(jí)電容器僅限于直流電路使用，與鋁電解容器相比較，其擁有更大的電阻，不適用于交流電路運(yùn)行需求。超級(jí)電容器作為全新的高科技產(chǎn)品，目前的市場(chǎng)價(jià)格還非常昂貴，導(dǎo)致超級(jí)電容器的推廣和普及難度加大。

2.3 超級(jí)電容器與其他儲(chǔ)能裝置比較

超級(jí)電容器的出現(xiàn)填補(bǔ)了普通電容器的空白，不僅比功率遠(yuǎn)超出普通電池，充電時(shí)間非常短，可以快速放電，充放電效率相當(dāng)高，還能夠有效延長(zhǎng)使用壽命。

3 超級(jí)電容器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 軌道交通領(lǐng)域

超級(jí)電容在有軌電車(chē)、地鐵制動(dòng)能量回收裝置等方面被廣泛應(yīng)用。目前，有軌電車(chē)主要通過(guò)超級(jí)電容器作為動(dòng)力來(lái)源，無(wú)須接觸網(wǎng)就能夠快速完成充電。地鐵之間的間距非常短，制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)高，可以用超級(jí)電容器制動(dòng)能量回收裝置取代制動(dòng)電阻，在汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)釋放制動(dòng)能量，對(duì)地鐵運(yùn)輸節(jié)能具有非常重要的作用 [4]。超級(jí)電容器工作溫度為-40～70 ℃，可承受50萬(wàn)次的充放電深度循環(huán)。超級(jí)電容器作為一種儲(chǔ)能系統(tǒng)，早在2006年，上海巴士集團(tuán)就已經(jīng)將超級(jí)電容公交系統(tǒng)用于日常運(yùn)行，公交車(chē)的線(xiàn)路行駛固定，只需要在?？空军c(diǎn)時(shí)利用乘客上下車(chē)的時(shí)間，就能夠采用超級(jí)電容技術(shù)快速補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)續(xù)航，直至下一個(gè)充電站。與傳統(tǒng)的電子式電力公交相比較，采用超級(jí)電容器的公交系統(tǒng)不再受到電線(xiàn)的局限，也不會(huì)因?yàn)楣收显斐绍?chē)輛無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行，提高城市的整體市容環(huán)境，但是超級(jí)電容公交車(chē)在早期存在散熱不及時(shí)的問(wèn)題，使得車(chē)輛在行駛過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)噪音偏大、運(yùn)行速度慢、車(chē)輛突然停止、充電設(shè)備被擠占等問(wèn)題。隨著技術(shù)的革新，全新高能量智能超級(jí)電容車(chē)在2019年9月正式運(yùn)營(yíng)，這不僅徹底解決了超級(jí)電容系統(tǒng)高溫性能不佳、噪音大、續(xù)航里程短等問(wèn)題，還能夠?qū)崿F(xiàn)單次充電40 s運(yùn)行10 km的續(xù)航水平，整個(gè)充電站隨著線(xiàn)路的不斷增加，超級(jí)電容公交系統(tǒng)也變得越來(lái)越便捷。在私家車(chē)領(lǐng)域，超級(jí)電容器無(wú)法持續(xù)輸出能量，同時(shí)私家車(chē)也沒(méi)有固定的行駛路線(xiàn)，私家車(chē)目前很難將超級(jí)電容器作為唯一的能量來(lái)源，但是可以通過(guò)超級(jí)電容器作為傳統(tǒng)動(dòng)力電池的輔助。在短時(shí)間內(nèi)提高電動(dòng)車(chē)的整體續(xù)航能力，超級(jí)電容器自身的回收儲(chǔ)能效率也比普通電池更高。在充電階段，超級(jí)電容器能夠使車(chē)輛在極短時(shí)間內(nèi)完成充能，消除充電的長(zhǎng)時(shí)間等待。在紅燈車(chē)輛停止?fàn)顟B(tài)下，超級(jí)電容器就能夠?yàn)殡姵亟M自動(dòng)充電。在車(chē)輛需要加速時(shí)，超級(jí)電容器還可以直接向電機(jī)輸出大電流，或者電池組將電能反向輸出給超級(jí)電容器，增強(qiáng)瞬間電流的輸出效果。目前，超級(jí)電容器很難在電動(dòng)車(chē)上大規(guī)模普及與推廣，但是可以搭配電池進(jìn)行使用，獲得更好的效果。搭配超級(jí)電容器之后，電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航能力得到全面提高，有效減少電池的整體重量，使得電池變得更加小巧精致，減輕電動(dòng)車(chē)的重量，同時(shí)能夠提高能源消耗效果，降低生產(chǎn)成本。超級(jí)電容還可以應(yīng)用在智能充電樁技術(shù)中，目前超級(jí)快充樁普及瓶頸在于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力。利用超級(jí)快充技術(shù)，能夠打破網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的局限。在閑置狀態(tài)下，超級(jí)電容器可以直接通過(guò)低功率或高壓直流電動(dòng)充電，不會(huì)給電網(wǎng)造成負(fù)荷壓力，在充滿(mǎn)電的狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)大功率的直流輸出，使得超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)快速充電。超級(jí)電容器的能量密度比較低，安全性非常高，不占空間，體積較小。在車(chē)底正中央安裝超級(jí)電容器，能夠有效避免因?yàn)槭鹿逝鲎苍斐沙?jí)電容器出現(xiàn)異常問(wèn)題 [5]。

3.2 可再生能源領(lǐng)域

目前，隨著風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的不斷發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)有很多清潔能源項(xiàng)目，但這些清潔能源。隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，使得蓄電池頻繁充電，縮短蓄電池的使用壽命。超級(jí)電容器可以有效解決這些問(wèn)題，可以為微電網(wǎng)提供大量的緩沖能量，改善電力的整體品質(zhì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

3.3 消費(fèi)電子

電容器可以在短時(shí)間內(nèi)提供大電流，在系統(tǒng)電壓突然降低的情況下，還可以充當(dāng)后備電源使用。主電源發(fā)生中斷、接觸不良或者負(fù)載過(guò)大等問(wèn)題，運(yùn)用超級(jí)電容器可以有效避免突然斷電對(duì)整個(gè)電器造成的負(fù)面影響。

3.4 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量緩沖器

超級(jí)電容器的功率變換器可以共同構(gòu)成能量緩沖器，可以應(yīng)用于電梯等電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，在系統(tǒng)加速時(shí)，能夠由直流母線(xiàn)提供電流，提高電機(jī)所需的峰值功率。在減速時(shí)，可以向直流母線(xiàn)進(jìn)行能量回收，利用動(dòng)力UPS可以直接將超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能組件，避免多節(jié)蓄電池串聯(lián)引發(fā)的各種問(wèn)題，有效降低變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本，方便維護(hù)使用。

3.5 軍事裝備

軍事系統(tǒng)要求儲(chǔ)能單元必須輕便可靠，具有隱蔽性，但很多軍用設(shè)備無(wú)法通過(guò)公共電網(wǎng)供電，需要配備專(zhuān)用發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能機(jī)制，混合型超級(jí)電容器能夠滿(mǎn)足軍事裝備的需求，減輕設(shè)備的負(fù)擔(dān) [6]。同時(shí)，它可以有效解決潛艇中蓄電池壽命短的問(wèn)題，還可以避免因?yàn)榈蜏貑?dòng)困難造成車(chē)輛運(yùn)輸受到影響，全面提升車(chē)輛的動(dòng)力性和隱蔽性。微電網(wǎng)通常配備可再生能源發(fā)電機(jī)，目前在并網(wǎng)中還存在限制，為避免對(duì)微電網(wǎng)造成干擾，可以選擇ESS管理策略。超級(jí)電容器可以改善電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的缺陷，也能夠增強(qiáng)電池放電功率的整體性能?？梢月?lián)合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中應(yīng)用。超級(jí)電容器具有高彈性快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足電力需求，使系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高，延長(zhǎng)燃料電池的整體使用壽命。

未來(lái)，超級(jí)電容器的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。低成本、高密度是超級(jí)電容器未來(lái)發(fā)展的主要方向，能夠顯著降低設(shè)計(jì)成本，促進(jìn)超級(jí)電容器的快速普及。超級(jí)電容器具有更高的密度、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命的使用特性，能夠擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，并且實(shí)現(xiàn)超高功率的發(fā)展。超級(jí)電容器在不同領(lǐng)域中的老化機(jī)理研究及電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，也是未來(lái)超級(jí)電容器的主要發(fā)展趨勢(shì)，可以幫助超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)造成的各種不利因素 [7]。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)一直以來(lái)主要以常規(guī)電容器為主，通過(guò)兩片接近或相互絕緣電極構(gòu)成儲(chǔ)存電荷電能的電子元件。超級(jí)電容通過(guò)雙電層電容器，具備充電時(shí)間短、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、溫控效果好、環(huán)保性能強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)社會(huì)發(fā)展中具有非常廣闊的應(yīng)用前景，超級(jí)電容器取代傳統(tǒng)儲(chǔ)能器也是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。

參 考 文 獻(xiàn)

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