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超級電容器的現狀及應用
超級電容器具有功率密度高(大于1kW·kg-1 ,甚至幾十 kW·kg-1)、壽命長(cháng)(105次以上)、使用溫度寬(-40～60℃)及充電迅速(<3min)等優(yōu)異特性,各國政府和公司都積極開(kāi)展此方面的研究開(kāi)發(fā)工作,并已有各種產(chǎn)品得到了商業(yè)應用。美國能源部已對研制全密封超級電容器制定了目標,其近期目標(1998～2003年)為:功率密度達到500W·kg-1,能量密度達到 5Wh·kg-1;遠期目標(2003年以后)為:功率密度達到1500W·kg-1,能量密度達到15Wh·kg-1。目前,俄羅斯、美國、日本等國就超級電容器已開(kāi)展了大量研究工作,
圖1 雙電層超級電容器、電化學(xué)電容器與可充電電池及燃料電池的能量密度、功率密度比較
表2 幾種電化學(xué)儲能器件的性能比較
| 電化學(xué)儲能器件 | 能量密度(Wh·dm-3) |
功率密度(W·dm-3)
|
循環(huán)壽命/次
|
| 電池 | 50～250 | 150 | <104 |
| 電化學(xué)電容器 | 5 |
>105
|
>105 |
| 普通物理電容器 |
0.05
|
>108 | >106 |
并取得了一定的進(jìn)展，90年代初,兩家俄羅斯公司Econd和ELIT開(kāi)始銷(xiāo)售超級電容器,采用碳復合體及水系電解質(zhì),額定電壓在12～450V,容量從1法拉到幾百法拉,RC常數大約為0.3s,這些超級電容器適用于需要大功率的啟動(dòng)動(dòng)力的場(chǎng)合。日本松下公司的圓柱型超級電容器,采用碳材料及有機電解質(zhì),額定電壓為3V,容量800～3000F,功率密度1000W·kg-1 。美國Maxell公司方形超級電容器,采用碳布與鋁箔復合及有機電解質(zhì),額定電壓為3V,容量1000～2700F。最近日本的EPCOS公司也已開(kāi)發(fā)出同類(lèi)產(chǎn)品,準備推向市場(chǎng)。法國SAFT公司的33680型超級電容器額定電壓為3V,單體重量為95g,比能量4.8Wh·kg-1,比功率3.4kW·kg-1。此外,美國Powerstor、Evans公司和Los Alamos National Lab、Pinnacle Research Insitute,日本NEC公司,澳大利亞Cap-xx公司、韓國NESS公司等在超級電容器方面的研究也很活躍。
表3 列出了目前國外超級電容器的研究現狀。
|
公司
|
國家
|
技術(shù)基礎
|
電解質(zhì)
|
結構
|
規格
|
|
PowerSto
|
美國
|
凝膠碳
|
有機
|
卷繞式
|
3～5V,7.5F
|
|
Skeleton
|
美國
|
納米碳
|
有機
|
預燒結碳-金屬復合物
|
3～5V,250F
|
|
Maxw ell
|
美國
|
復合碳纖維
|
有機
|
鋁箔、碳布
|
3V,1000～2700F
|
|
Superf arad
|
瑞典
|
復合碳纖維
|
有機
|
碳布+粘合劑、多單元
|
40V,250F
|
|
Cap-xx
|
澳大利亞
|
復合碳顆粒
|
有機
|
卷繞式、碳顆粒+粘合劑
|
3V,120F
|
|
ELIT
|
俄羅斯
|
復合碳顆粒 |
硫酸
|
雙極式、多單元
|
450V,0.5F
|
|
NEC
|
日本
|
復合碳顆粒 |
水系
|
碳布+粘合劑、多單元
|
5～11V,1～2F
|
|
Panasonic
|
日本
|
復合碳顆粒 |
有機
|
卷繞式、碳顆粒+粘合劑
|
3V,800～2000F
|
|
SAFT
|
法國
|
復合碳顆粒 |
有機
|
卷繞式、碳顆粒+粘合劑
|
3V,130F
|
|
Los Alamos Lab
|
美國
|
導電聚合物薄膜
|
有機
|
單一單元,導電聚合物薄膜PFPT+碳紙
|
2.8V,0.8F
|
|
ESMA
|
俄羅斯
|
混合材料
|
KOH
|
多單元、碳+氧化鎳
|
1.7V,50000F
|
|
Evans
|
美國
|
混合材料
|
硫酸
|
單一單元、氧化釕+鋰箔
|
28V,0.02F
|
|
Pinnacle
|
美國
|
混合金屬氧化物
|
硫酸
|
雙極式、多單元、氧化釕+鋰箔
|
15V,125F
|
|
US Army
|
美國
|
混合金屬氧化物
|
硫酸
|
雙極式、多單元、含水氧化釕
|
5V,1F
|
可以發(fā)現,研究及商業(yè)化的超級電容器大部分采用了碳材料作為電極材料。但是, 為進(jìn)一步提高電容器的性能,碳電極材料還存在很多問(wèn)題,有待進(jìn)一步改進(jìn)。超級電容器因其優(yōu)異特性而使其在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應用,如用做存儲器、微型計算機、系統主板和鐘表等的備用電源;用做電動(dòng)玩具車(chē)主電源、內燃機中啟動(dòng)電力、太陽(yáng)能電池輔助電源,還可應用于航空航天等領(lǐng)域。電動(dòng)汽車(chē)對動(dòng)力電源的要求引起了全世界范圍對超級電容器這一新型儲能裝置的廣泛重視。傳統動(dòng)力電池在高功率輸出、快速充電、寬溫度范圍使用以及壽命等方面存在一定的局限性,有些苛刻條件可能會(huì )顯著(zhù)降低電池的壽命。而超級電容器能較好地滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)在啟動(dòng)、加速、爬坡時(shí)對功率的需求,若與動(dòng)力電池配合使用,則可減少大電流充放電對電池的傷害,延長(cháng)電池的使用壽命,同時(shí)還能通過(guò)再生制動(dòng)系統將瞬間能量回收于超級電容器中,提高能量利用率。因而,超級電容器是近年來(lái)電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統開(kāi)發(fā)中的重要領(lǐng)域之一。
美國Maxell 公司所開(kāi)發(fā)的超級電容器已在各種類(lèi)型電動(dòng)車(chē)上都得到良好應用。本田公司在其開(kāi)發(fā)出的第三代和第四代燃料電池電動(dòng)車(chē)FCX-V3和FCX-V4中分別使用了自行開(kāi)發(fā)研制的超級電容器來(lái)取代二次電池,減少了汽車(chē)的重量和體積,使系統效率增加,同時(shí)可在剎車(chē)時(shí)回收能量,測試結果表明,使用超級電容器時(shí)燃料效率和加速性能均得到明顯提高,啟動(dòng)時(shí)間由原來(lái)的10min縮短到10s。此外,法國SAFT公司,澳大利亞Cap-xx公司、韓國NESS公司等也都在加緊電動(dòng)車(chē)用超級電容器的開(kāi)發(fā)應用。
下一篇：超級電容單體是什么意思？上一篇： 超級電容的工作原理與技術(shù)特性
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