超級電容器在新能源汽車中的應用探析

林詩雅

摘 要：在這個科技蓬勃迅猛發(fā)展的新時代，針對能源過分開發(fā)使用如今面臨不可再生資源嚴重匱乏的問題展開論述。從務實的環(huán)保角度出發(fā)，具體而詳細地闡述超級電容器在這個人類面對巨大生存危機的時代應運而生的發(fā)展趨勢，對超級電容器的基本工作原理進行解釋。進一步把新能源汽車和它順應科技進步進行有機結(jié)合。文章不僅從理論層面進行了詳細闡述同事也從實際相結(jié)合的角度出發(fā)，解析了新能源汽車產(chǎn)業(yè)里的超級電容器的應用情況，希望可以為超級電容器在新能源汽車中的應用起到借鑒作用。

關鍵詞：超級電容器 工作原理 新能源產(chǎn)業(yè)

Application Analysis of Supercapacitors in New Energy Vehicles

Lin Shiya

Abstract：In this new era of rapid development of science and technology， this paper discusses the problem of excessive development and use of energy， which is now facing the serious shortage of non-renewable resources. From the perspective of pragmatic environmental protection， this paper specifically and in detail expounds the development trend of supercapacitors in this era of huge survival crisis for human beings， and explains the basic working principle of supercapacitors. Further the article combines new energy vehicles with its compliance with scientific and technological progress. The article not only elaborates on the theoretical level， but also analyzes the application of supercapacitors in the new energy vehicle industry from the perspective of combining practice， hoping to play a reference role for the application of supercapacitors in new energy vehicles.

Key words：supercapacitors， working principle， new energy industry

1 超級電容器的簡介

一般情況下，超級電容是由兩個串聯(lián)而成的電容量相等的單元組成，一個是超級電容器單體，另一個就是電極材料——炭材料，它們之間通過導電劑連接在一起。一般電池電超級電容器的容量可達10kw/kg或更大，沒有一般電池可比。這與超級電容器在電化學上的優(yōu)異表現(xiàn)有著很大的關系。主要原因是超級電容器在采用多孔碳材料作為電極時，在儲存能量過程中，沒有任何化學反應，且屬純物理過程，電荷被吸附或者脫附得尤為迅速此時可理解為其充放電速度尤其迅速，并能維持大電流的輸入和輸出。[1]

從2007年到現(xiàn)在新能源電動車的種類不斷增加。其中最常見的就是混合動力車和純電動車中的超級電容與鋰電池的配合使用，這也成了當今電動車發(fā)展的主要趨勢之一。以超級電容器為啟動電源，同時，爬坡過程中充當動力電源，高效回收剎車過程中的能量，電池承擔著長程續(xù)航的責任，這一結(jié)合就是很合理的結(jié)合，上述均屬超級電容器，應用前景很好。[2]

1.1 超級電容器的工作原理

十九世紀末，Helmhotz等雙電層理論，在對應模式下得出結(jié)論，溶液中不規(guī)則分布的離子在金屬表面產(chǎn)生凈電荷，遠離電極的某一位置，所吸引離子排列成界面層，在這個進程中，界面層上的電荷和電極表面上電荷的量是同一符號的相反方向，將形成雙電層。雙電層電容器結(jié)構組成如圖1

其構成是電極溶液界面內(nèi)聚集的所有電荷，其電位施加范圍內(nèi)不產(chǎn)生法拉第反應。

這里極化過程包括兩種：

（1）電荷傳遞極化

（2）歐姆電阻極化。

充放電原理是：在給溶液加電場之后，其中有離子發(fā)生遷移，正負電極各自集聚陰陽離子，這時雙電層就形成了；當負極板上吸附有正電荷或負電荷顆粒，由于靜電斥力作用使其向外移動，同時也將負電位粒子排斥在外。當所加電場取消時，正負電荷將和相反電荷離子互相吸引，從而形成電位差。該效應稱為電化學充電或極化作用，它導致了溶液內(nèi)部電化學反應和能量傳遞的變化，從而使電流密度增加。而電流產(chǎn)生來源于外電路和兩極連通過程中電荷的遷移，離子在溶液中遷移，呈現(xiàn)電中性。該研究發(fā)現(xiàn)在電池放電過程中該材料可將鋰離子從負極轉(zhuǎn)移到正極，且能夠有效提高鋰離子利用率和延長使用壽命。該充放電過程為純物理過程，從而能達到較高充放電效率，但循環(huán)壽命稍長，這些優(yōu)勢均利于它在新能源汽車上的推廣應用。[3]

1.2 超級電容器的主要特點

超級電容器是新型儲能元件，定位在傳統(tǒng)電容器與電池之間，他提供的比能量相較前者更高，提供的比功率相較后者更高，除此之外，它還擁有比兩者更長的循環(huán)壽命。

1.2.1 優(yōu)點

（1）可以容納的能量很高。同體積超級電容器的容量是電解電容器的2K～6K倍。功率密度高。相較于電池，可提供瞬間大電流，電流強度可達上百甚至上千安培，且功率密度達到10×10W/kg，是電池的十到一百倍。相較于需要耗費三到五小時時間進行充電的化學電池，超級電容是三秒到15分鐘，這對比非常大。[4]

（2）壽命長且充放電效率高。通常而言，在使用過程中，材料結(jié)構不會因充放電受到影響，因此其使用壽命的長短也不會受循環(huán)次數(shù)影響。

（3）使用溫度范圍寬，達－40～+80℃。電極材料反應速率對溫度高低改變所造成的影響不太敏感，比如大卡車低溫啟動。

（4）綠色環(huán)保能源。它具有節(jié)能環(huán)保的特點，對于使用者來說沒有負面影響，更不會破壞生態(tài)環(huán)境，是一種健康綠色的能源。

1.2.2 缺點

超級電容器雖然有著明顯的優(yōu)勢特點，但不意味著它就是完美無缺的。

與蓄電池相比，以前的其能量密度很低，只能通過體積的堆積來彌補。直到2007年在那個時期，中國很多地區(qū)都在大力推廣新能源汽車，混合動力客車很快就在滿街跑了，但是這卻還是沒有從根本上解決能量密度低的問題，到了2017年，能源汽車基本上已經(jīng)全面采用了純電動模式，鋰電池的技術的發(fā)展也日新月異，無論是功率密度還是循環(huán)壽命都有了很大的進步，成本的控制也得到了進一步的降低，在這競爭激烈的十年里，maxwell研究出了干電池技術，這種技術能將超級電容器的能量密度提高到300Wh/kg。

2 超級電容器構成

2.1 電極材料技術

碳材料作為常用的電極材料，它的技術成熟，價格有優(yōu)勢，得到了很好的商業(yè)化。

在眾多種類的碳材料當中，石墨烯的優(yōu)勢很明顯，首先石墨烯有非常大的比表面積，而且不需要如此依賴孔的分布，它的表面和層片結(jié)構十分利于加快離子的脫附吸附速率，并且他有非常不錯的導電性。綜上所述，這些優(yōu)勢讓它能廣泛地應用于超級電容器的電極材料當中。

除了石墨烯，制作電極的常見材料還有具備較高比熱容的過渡金屬氧化物，這一特性是選用此類材料的主要原因。舉個例子，比如二氧化錳，它價格低廉且沒有毒，在電解液和電極界面快速發(fā)生可逆的氧化還原反應，因此其應用很受關注。[5]

2.2 電解液的分類

超級電容器電解液進行分類時一般分為以下幾種，分別是水系、離子、固體及凝膠以及有機電解液。

水系電解液又被稱之為酸性電解液（H2SO4水溶液體系），堿性電解液（KOH水溶液體系），中性電解液（KCL水溶液體系）。

缺點：分解電壓低、低溫性能差、電化學窗口窄。

優(yōu)點：低內(nèi)阻和高電導率。

離子液體電解液是完全由離子組成的，因為陰陽離子和空間阻礙使其具有較低的離子靜電勢。

優(yōu)點：較高的電導率和電化學窗口寬，且具有不揮發(fā)、不爆炸、無蒸氣壓的特點，

缺點：粘度過高，且材料成本較高。

對于固體或凝膠電解液，固體電解質(zhì)或凝膠聚合物電解質(zhì)由聚合物、電解質(zhì)鹽、低分子有機溶劑組成。

缺點：電導率和溶解度較低，電極電解質(zhì)間接觸差。

優(yōu)點：表現(xiàn)在較高的工作電壓和比能量。

有機電解液主要是超級電容器用離解能力較強的有機溶劑，生成高電導率電解質(zhì)和少量添加劑構成，提高電容器性能。目前使用最多的是有機溶劑碳酸和電解質(zhì)添加劑。無機溶劑碳酸有丙烯酯（PC）乙腈（AN）等，所述電解質(zhì)為四氟硼酸四乙基氨、雙草酸硼酸鋰及其他；添加劑有磷酸三丁酯等。添加劑包括導電添加劑阻燃劑和過充保護劑。

優(yōu)點：工作電壓較高，工作溫度范圍寬；

缺點：電導率較低，溶劑易揮發(fā)。

3 超級電容器在新能源汽車中的應用模式

3.1 純電動力模式

該模式策略以超級電容器電源電機為主，電機在汽車行駛時驅(qū)動車輛，在制動時則轉(zhuǎn)化為發(fā)動機回收能量。該模式的汽車就是僅通過電力來進行驅(qū)動的，因此這種電動車的原理相對簡單且能夠?qū)崿F(xiàn)0排放。但是由于這種車型需要依賴充電樁進行充電，且完成充電需要花費較長的時間，它的續(xù)航能力較差，充滿電可以行駛的距離比較短，適用于在城市中作為代步工具。

純電動力模式以可見光區(qū)域與近紅外區(qū)域互補吸收較好的鈣鈦礦材料與有機太陽材料為活性層材料，分別應用于后電池與前電池中，以及全溶液處理方法，制備出兩個末端疊層太陽能電池，它有17.16%光電轉(zhuǎn)化效率，開路電壓為1.64V。同時使用了新型正極及固態(tài)聚合物電解質(zhì)，制備出具有大電壓窗口，優(yōu)良循環(huán)穩(wěn)定性的全固態(tài)不對稱超級電容器。由全溶液處理高導電率有機聚合物薄膜聯(lián)接而成，成功實現(xiàn)了疊層太陽能電池和全固態(tài)非對稱超級電容器的集成，配制出一種便攜式便攜，無導線連接自充電電源組。測試結(jié)果表明，所設計的自充電電源具有較好的能量密度、良好的倍率特性、較長的放電時間及穩(wěn)定的充放電性能等優(yōu)點。所述自充電電源組能夠?qū)⑻柲茈姵剞D(zhuǎn)換后的太陽能直接存儲于超級電容器內(nèi)，以供新能源汽車充電。

3.2 混合動力模式

此模型在應用過程中，超級電容器在發(fā)動機中起輔助作用。當汽車啟動后，發(fā)動機通過發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)化為電能，然后經(jīng)過逆變器變成直流輸出到電動機上。汽車啟動后，車速若達不到設定值，然后由電機分別帶動。若車輛在運行途中遇到路面狀況較差的時候，可以啟動超級電容器，通過超級電容器為電動機提供電能。行車途中，速度達到設定值后電機停機，這時的車是以發(fā)動機為動力，在該工藝中多余功率將對超級電容器進行充電。在車輛停止后，超級電容器可以自動向蓄電池放電。

想要在新能源汽車領域得到廣泛的應用和發(fā)揮，相應的技術還需要更進一步。從當前來看，超級電容的應用還止步于輔助功能，電池才是主動力，包括燃料電池汽車和混合動力汽車在內(nèi)，用于能量儲存的設備還是電池。而超級電容則是作為其補充和輔助，在使用過程中起到緩沖的作用，同時幫助延長電池壽命，增強充放電效果。雖然超級電容在能量領域的發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)得到了眾多汽車制造商的普遍認可，但是就當前而言，對于鋰電池和鎳氫電池的依賴還是不能擺脫食物，因為超級電容器有兩個不可忽視的缺點一個是造價高，一個是能量密度低。

在電動汽車內(nèi)部，借助經(jīng)濟有效的混合儲能系統(tǒng)，幾種可再生能源可集成在一起，進而提高效率。超級電容是一種由電極材料構成的電化學裝置，它將電能轉(zhuǎn)換成儲存在電解液中的能量，并以類似蓄電池的形式被存儲于超級電容器中。其中相對燃料電池及電化學電池而言，超級電容器有很多的優(yōu)點，例如功率密度高、充電時間縮短，循環(huán)壽命延長。此外，由于它比傳統(tǒng)汽車中使用的蓄電池體積更大，因此能夠降低車輛重量。頂棚上利用光伏電池采集太陽能的現(xiàn)象十分普遍。這些技術已經(jīng)被應用于諸如純電動客車等大型車輛上。但是，使用相同的裝置存儲這種能源，或者將會在混合動力電動汽車方面改變規(guī)則。太陽能超級電容器是一種用于收集和儲存太陽能的電容器。它可以通過與鋰離子一樣的化學鍵結(jié)合到金屬負極上而獲得巨大容量。在超級電容器領域，碳材料作為電極材料應用最為廣泛，碳纖維（CF）已被證明是雙電層電容器（EDLC）的最佳候選材料。得益于一維性，CF在電荷輸運方面表現(xiàn)出優(yōu)越的特性，由于它的纖維表面有許多氣孔，對離子吸附能力強。CF，環(huán)氧樹脂（ER）和其他導電聚合物，結(jié)合金屬氧化物，如ZnO/CuO，這種結(jié)合可以作為高性能SSC電極使用。

3.3 綠色環(huán)保模式

在國內(nèi)，安凱是能源客車的領先品牌，該品牌在新能源的核心技術研發(fā)上投入了大量的人力和物力，它采用的是鋰離子電池超級電容器動力體系。是我國唯一的電動客車整車系統(tǒng)集成工程技術研究中心，目前，其成熟產(chǎn)品包括純電動客車、插電式混合動力客車以及氫燃料電池客車，充分地把握地把握住市場份額，并在此基礎上不斷地研究創(chuàng)新。通過氫氣和氧氣反應實現(xiàn)動力來源的氫燃料電池汽車，由于行駛過程中燃料反應的產(chǎn)物是水，所以是一種較好的綠色新型環(huán)保汽車。

4 總結(jié)

對于超級電容器而言，功率特性的優(yōu)秀是其最大的特色之一，也是其應用于電動汽車行業(yè)的最大優(yōu)勢，但是其本身的短板也不容忽視，功率和能量密度在內(nèi)，都存在著明顯的欠缺，還有著非常大的提升空間，除了性能短板，在價格方面也不具有足夠的競爭力。在未來，隨著相關技術的深入研究和發(fā)展，超級電容器的性能必將得到進一步提升并在未來的電動汽車發(fā)展中占據(jù)重要的地位。

參考文獻：

[1]楊洪明，陳博文，王懂，等. 局部陰影遮擋下太陽能電池-超級電容器件陣列建模及其缺失電流協(xié)同補償方法[J]. 電力自動化設備，2021.

[2]曹玥，張改梅，李現(xiàn)紅，等. 三維石墨烯的制備及其在超級電容器中的應用[J]. 包裝工程，2021，42（15）：11.

[3]聶文琪，孫江東，許帥，等. 紡織基超級電容器研究進展[J]. 復合材料學報，2022，39（3）：12.

[4]楊洪明，王穎杰，陳博文，等. 局部陰影條件下太陽能電池-超級電容串聯(lián)陣列電流補償方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報，2022，34（4）：10.

[5]邢增強，崔文朋，等. 基于超級電容的太陽能電源管理系統(tǒng).電子技術，2021.