超級電容器在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用
——評《超級電容器及其在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用》

李向超

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，河南 鄭州 450000)

隨著生產(chǎn)的發(fā)展、生活水平的提高，人們對能源存儲的要求越來越高。超級電容器具有使用壽命長、功率密度高等特點(diǎn)，近年來已被廣泛應(yīng)用到電動汽車、通信、電力電子系統(tǒng)等領(lǐng)域。王凱等著的《超級電容器及其在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用》一書聚焦于超級電容器的研究，對超級電容器的結(jié)構(gòu)組成、電極材料、電解質(zhì)、熱行為、性能測試方法以及健康管理方法等進(jìn)行詳細(xì)的介紹，為進(jìn)一步的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

《超級電容器及其在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用》一書由7章組成。第1章是緒論，對超級電容器的發(fā)展概況和應(yīng)用前景等進(jìn)行簡要介紹；第2章聚焦于超級電容器電極材料的研究，包括電極材料的制備方法、性能測試等；第3章詳述超級電容器電解質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容，包括電解質(zhì)的種類、性能要求等；第4章對超級電容器的分類、結(jié)構(gòu)以及特性進(jìn)行詳細(xì)的闡述；第5章探討堆疊式、卷繞式、混合型等3種類型的超級電容器的熱行為；第6章給出一種超級電容器測試系統(tǒng)，用于測量充放電電流恒定狀態(tài)下超級電容器的性能；第7章闡述超級電容器的健康管理方法。

1 概述

超級電容器是一種儲能裝置，具有能量密度高、功率密度高、循環(huán)壽命長和充電時間短等特點(diǎn)。在小功率電子設(shè)備及系統(tǒng)(如電動玩具、交通信號燈和無線電波接收器等)中，超級電容器可用作主電源或替換電源；在電動汽車中，超級電容器因具有壽命長、功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，常作為電能儲存容器，替代常規(guī)的電化學(xué)電池，為電動汽車提供足夠的功率及超長的續(xù)航時間；在電力系統(tǒng)中，超級電容器可與太陽能電池混合使用，也可單獨(dú)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電站、水力發(fā)電站等分布式發(fā)電系統(tǒng)中，以提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性；此外，超級電容器還可應(yīng)用于航天、通信等領(lǐng)域。

2 電極材料及電解質(zhì)

在超級電容器中，電極材料是影響儲能特性的關(guān)鍵因素。氫氧化鎳[Ni(OH)2]作為一種過渡金屬化合物，價格便宜，在堿性溶液中穩(wěn)定性強(qiáng)，且理論容量高，常用作超級電容器的電極材料。該書以Ni(OH)2為原材料，給出了幾種不同的電極材料的制備方法，并對性能進(jìn)行了測試。第一種是利用稀釋法制備Ni(OH)2。將7.8 g六水合硫酸鎳(NiSO4·6H2O)加入30 ml去離子水中，攪拌均勻后形成NiSO4溶液；然后將2.4 g NaOH稀釋，緩慢滴入NiSO4中，控制Ni(OH)2慢慢析出。將Ni(OH)2研磨后，按9∶1的質(zhì)量比與石墨混合研磨，加入無水乙醇攪拌均勻，并加入聚四氟乙烯；將混合后的糊狀物質(zhì)壓制成0.5 mm厚的片狀物，在80 ℃下烘干至恒重，最后壓制到泡沫鎳網(wǎng)集流體上，并切割成小塊作為電極。以3 mol/L KOH溶液為電解液、飽和甘汞電極為參比電極、鉑片為輔助電極，構(gòu)成三電極體系。XRD分析表明，Ni(OH)2內(nèi)部由許多薄片彼此交替堆積而成，結(jié)構(gòu)為鱗片狀，可增加電極材料的比表面積，因此電解液與電極的接觸面積較大。當(dāng)放電電流由2 mA增至10 mA時，Ni(OH)2電極的比電容逐漸減小。當(dāng)充放電電流為10 mA時，Ni(OH)2電極首次循環(huán)的比電容高達(dá)1 000 F/g。以10 mA的電流在-0.05～0.50 V進(jìn)行200次充放電，Ni(OH)2電極的比電容有所衰減，但電容保持率仍高于93%，說明該電極的循環(huán)穩(wěn)定性良好。第二種是利用稀釋法制備氧化鎳(NiO)。以上述Ni(OH)2為基礎(chǔ)，在管式爐中、氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于300 ℃加熱3 h，得到NiO樣品。以NiO替換Ni(OH)2，重復(fù)上述電極的制備步驟，得到以NiO為電極材料的三電極體系。XRD分析表明，NiO內(nèi)部由許多薄片彼此交替堆積而成，結(jié)構(gòu)為花球狀，因此電解液與電極的接觸面積較大，且晶化程度較小。當(dāng)放電電流由5 mA增至20 mA時，NiO電極的比電容逐漸減小。在電流為5 mA時，NiO電極首次循環(huán)的比電容高達(dá)405 F/g；在0～0.37 V進(jìn)行200次充放電，NiO電極的比電容為365 F/g，電容保持率高于90%。

電解質(zhì)作為超級電容器的組成部分，同樣不可或缺。電解質(zhì)的性能應(yīng)滿足以下要求：①具有較高的電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性；②對溫度的適應(yīng)性較寬；③電解質(zhì)中的離子尺寸需適應(yīng)電極材料的孔徑；④電解質(zhì)需對環(huán)境友好。在實(shí)際應(yīng)用中，制備電解質(zhì)的材料需具有低腐蝕性、低易燃性等特點(diǎn)，且應(yīng)根據(jù)電壓情況、使用環(huán)境等合理選擇電解質(zhì)。常見的電解質(zhì)包括水性電解質(zhì)、有機(jī)電解質(zhì)和固態(tài)聚合物電解質(zhì)等。水性電解質(zhì)的成本較低，使用較廣泛，但具有易腐蝕、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，使用過程中會影響超級電容器的穩(wěn)定性。有機(jī)電解質(zhì)在商用電化學(xué)超級電容器市場應(yīng)用多，具有更寬的電位窗口，更強(qiáng)的離子傳導(dǎo)能力。固態(tài)聚合物電解質(zhì)同樣具有電位窗口寬、電化學(xué)性能好的特點(diǎn)，代表性物質(zhì)有凝膠聚合物電解質(zhì)、固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體等。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和儲能特性

根據(jù)形式的不同，超級電容器的結(jié)構(gòu)通常分為3種類型：堆疊式、卷繞式和混合型。堆疊式超級電容器是利用壓制或涂覆的方法，將正負(fù)電極材料固定在金屬集流體上，并將正極、隔膜和負(fù)極層疊相間，最后密封起來。這種形式的電容器制造簡單，但利用率不高。該書介紹了一種堆疊式超級電容器，以無紡纖維布為隔膜、Ta/Ta2O5為負(fù)極、有序介孔炭為正極、3 mol/L KOH為電解液。對該電容器進(jìn)行儲能特性研究，設(shè)置充電電壓為100 V，充放電電流為1 A，在整個充放電過程中，電容器的電容基本保持穩(wěn)定，沒有明顯的衰減；進(jìn)行100次充放電，電容器的電容保持率為95%。卷繞式超級電容器是把正、負(fù)極涂覆在金屬箔片上，以隔膜為電解質(zhì)，相互卷繞而成，制造工藝復(fù)雜，對電極材料的要求較高。將質(zhì)量比85∶10∶5的有序介孔炭、石墨和黏結(jié)劑混合均勻，加入去離子水，攪拌成漿狀，涂覆在鋁箔集流體上，以接枝聚丙烯為隔膜、1.5 mol/L Et4NBF4/AN為電解液，經(jīng)卷繞、鉚接和密封后，制成卷繞式超級電容器。對該電容器的儲能特性進(jìn)行研究，設(shè)置充電電壓為2.7 V，充放電電流為1 A，在整個充放電過程中，該電容器的電容量基本保持穩(wěn)定，并無明顯衰減；在25 ℃下充電至2.7 V，并維持恒壓30 min，計(jì)算得到電容器的漏電流為0.029 mA，在允許的范圍內(nèi)?；旌闲统夒娙萜骶哂腥萘扛摺δ苊芏雀叩忍攸c(diǎn)。以Ta2O5為負(fù)極、二氧化釕和活性炭的混合物為正極、38%的硫酸溶液為電解質(zhì)制作的混合型超級電容器，在0～10 V以恒定電流經(jīng)過若干次充放電，電化學(xué)性能仍處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 熱行為

超級電容器的正常工作溫度為-30～50 ℃，性能可得到最大限度的發(fā)揮，如果工作溫度超出此范圍，性能就會變差。該書以3種類型的超級電容器為例，建立熱行為模型，設(shè)置物理參數(shù)，研究工作時內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律，以更好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。按上述堆疊式超級電容器的組成建立有限元模型，采用四面體網(wǎng)格，將該模型劃分為751 187個單元，并按要求設(shè)置各種模型參數(shù)。分別選取1 A、2 A、3 A、4 A、5 A和6 A的電流進(jìn)行恒流充放電實(shí)驗(yàn)，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，測試溫度分布狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)充放電電流慢慢變大時，超級電容器內(nèi)部的溫度隨之升高。當(dāng)電流為1 A時，最高溫度為25.9 ℃；當(dāng)電流為6 A時，最高溫度達(dá)63.4 ℃。這表明，在大電流下連續(xù)充放電時，為確保超級電容器正常工作，需采取相應(yīng)的制冷措施。按上述卷繞式超級電容器的組成建立有限元模型，采用四面體網(wǎng)格，將該模型劃分為408 679個單元，并按要求設(shè)置各種模型參數(shù)。在室溫25 ℃下，設(shè)置電流為2 A，進(jìn)行50次充放電，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，核心區(qū)域最高溫度達(dá)42.7 ℃，相比于室溫上升了約18 ℃，需采取相應(yīng)的制冷措施。按上述混合型超級電容器的組成建立有限元模型，并選擇圓柱坐標(biāo)系，建立二維傳熱模型，按要求設(shè)置各種模型參數(shù)。設(shè)置內(nèi)部封裝單元數(shù)量分別為1、2、3和4，隨著封裝單元數(shù)量的增加，超級電容器的內(nèi)阻由0.80 Ω慢慢降低至0.41 Ω；由內(nèi)阻帶來的熱損耗也隨之減少，但考慮到電流熱效應(yīng)，當(dāng)封裝單元為3個時，超級電容器內(nèi)部散熱效果最好，可達(dá)到散熱比平衡。

5 測試系統(tǒng)及健康管理方法

為測試超級電容器的充放電性能，該書設(shè)計(jì)了一種超級電容器測試系統(tǒng)，主要由電壓電流檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動電路、采樣電路、供電電路、主控單元、數(shù)據(jù)通信存儲模塊和上位機(jī)等組成。利用該系統(tǒng)進(jìn)行充放電測試，設(shè)定充放電電流均為0.6 A，將超級電容器充電至25 V，整個充放電過程呈現(xiàn)充電-平穩(wěn)-放電3個階段的變化。測試結(jié)果表明，由于電流恒定，在3個不同階段，電容器的端電壓隨測試時間呈線性變化，恒流狀態(tài)下可滿足充放電要求。

超級電容器在使用過程中會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，導(dǎo)致壽命越來越短，科研人員利用健康狀態(tài)(SOH)來衡量超級電容器的老化程度。SOH可定義為超級電容器在整個放電過程中放出的電量占標(biāo)稱電量的百分比。超級電容器的電極、殼體完整程度、電解液、制造工藝、工作時的電壓與溫度等，都會影響SOH。人們建立了等效電路模型、退化機(jī)理模型等，來預(yù)測超級電容器的壽命，此外，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能算法，同樣可以實(shí)現(xiàn)超級電容器壽命的預(yù)測。

6 結(jié)語

《超級電容器及其在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用》一書將理論知識和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，介紹超級電容器的發(fā)展態(tài)勢和應(yīng)用前景，并詳細(xì)闡述超級電容器的結(jié)構(gòu)組成、電極材料、電解質(zhì)、熱行為、性能測試方法和健康管理方法等。該書內(nèi)容飽滿、圖文并茂，可供從事儲能系統(tǒng)研究的科研人員參考。

書名：超級電容器及其在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者：王凱 等 編著

ISBN：9787111643944

出版社：機(jī)械工業(yè)出版社

出版時間：2020-03-01

定價：￥49.00元