超級電池綜述

1、超級電容電池綜述隨著一年一度的北京車展的到來，2014年的北京車展上各種車輛層出不窮，但有一種車輛還是脫穎而出，不再和傳統(tǒng)燃油車輛一樣的是，它是靠電驅動的，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)車輛的各種性能，他就是特斯拉。車展人們走馬觀花，看到的只能車的外表，殊不知這輛高科技的電動特斯拉的“發(fā)動機”卻是現(xiàn)在國際上流行但又神秘的超級電容電池。今天我們揭開這個神秘的超級電容電池的面紗。下面本文在一下幾個方面進行一個小綜述。一:超級電池的定義超級電池是美國科學家研制的一種新型電池，它們被稱為微型石墨烯超級電容，其充電和放電速度比普通電池快1000倍，并能夠存儲更多的電能。超級電池采用單原子厚度的碳層構成，這項技術能夠在最短

2、時間內(nèi)對手機和汽車快速充電，能夠很容易制造并整合成為器件，未來有望制造更小的手機。二：超級電池的結構和原理超級電容電池的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也稱作“電容電池”或說“黃金電池”。超級電容器電池也屬于雙電層電容器,它是目前世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種,其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結構獲得超大的容量。傳統(tǒng)物理電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離,兩塊極板之間為真空(相對介電常數(shù)為1)或一層介電物質(zhì)(相對介電常數(shù)為)所隔離,電容值為:C = ·A / 3.6 d &#

3、183;10-6 (F) 其中A為極板面積,d為介質(zhì)厚度。所儲存的能量為: E = C (V)2/2，其中C為電容值,V為極板間的電壓降.可見,若想獲得較大的電容量,儲存更多的能量,必須增大面積A或減少介質(zhì)厚度d，但這個伸縮空間有限，導致它的儲電量和儲能量較小。超級電容采用活性炭材料制作成多孔電極,同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液,當在兩端施加電壓時,相對的多孔電極上分別聚集正負電子,而電解質(zhì)溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上,從而形成兩個集電層,相當于兩個電容器串聯(lián),由于活性碳材料具有1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A),而且電解液與

4、多孔電極間的界面距離不到1nm(即獲得了極小的介質(zhì)厚度d),根據(jù)前面的計算公式可以看出,這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上, 從而使單位重量的電容量可達100F/g，并且電容的內(nèi)阻還能保持在很低的水平，碳材料還具有成本低，技術成熟等優(yōu)點。從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能，且在實際使用時，可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)以提高輸出電壓或電流。三：超級電池的特點它的結構和工作原理決定了它的特點和性質(zhì)，目前超級電池有九大方面的特點。（1）充電速度快，只要充電幾十秒到幾分鐘就可達到其額定容量的95以上；而現(xiàn)在使用面積最大的鉛酸電池充電通常需要幾個小時。（2）循環(huán)使用

5、壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達50萬次，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年如果相應地和鉛酸電池比較, 它的使用壽命可達68年, 且沒有“記憶效應”。（3）大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率90%；（4）功率密度高，可達300W/kg5000W/kg，相當于普通電池的數(shù)十倍；比能量大大提高，鉛酸電池一般只能達到0.02kWh/kg，而超級電容電池目前研發(fā)已可達10 kWh/kg，（5）產(chǎn)品原材料構成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；（6）充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護；（7）

6、超低溫特性好，使用環(huán)境溫度范圍寬達-40+70；（8）檢測方便，剩余電量可直接讀出；（9）單體容量范圍通常0.1F-1000F 。四：目前國內(nèi)外的研發(fā)狀況盡管超級電池有諸多的優(yōu)點，但是目前國內(nèi)外對超級電池的研發(fā)進度大不一樣，現(xiàn)在制約超級電池研發(fā)的關鍵因素在于制造石墨烯，由于這種材料的珍貴使得國內(nèi)研發(fā)沒有跟上國際。目前石墨烯價格在2000-5000元每克，根據(jù)品相不同，價格也不同。在國內(nèi)，根據(jù)總部位于北京的新興產(chǎn)業(yè)調(diào)研機構最新的研究結果中國超級電容器行業(yè)發(fā)展及投資分析報告2009-2010版（含2009-2013年預測）-動力電源系列報告，國內(nèi)從事大容量超級電容器研發(fā)的廠家共有50多家，然而，能

7、夠批量生產(chǎn)并達到實用化水平的廠家不到20家。國內(nèi)廠商大多生產(chǎn)液體雙電層電容器，重要企業(yè)有錦州凱美能源（原錦州富辰、錦州錦容）、北京集星電子、上海奧威等十多家。錦州凱美能源是國內(nèi)最大的超級電容器專業(yè)生產(chǎn)廠，主要生產(chǎn)紐扣型和卷繞型超級電容器。北京集星可生產(chǎn)卷繞型和大型電容器，而上海奧威產(chǎn)品多集中在車用超級電容器上。 在國外EESTOR的超級電容器電池技術，已經(jīng)宣稱能“替代電化學電池”了。2007年1月16日，美國一家研制電動汽車儲能裝置的EESTOR的公司打破沉默，對外宣告了他們“里程碑”式的成果：他們的自動生產(chǎn)線已經(jīng)由獨立的第三方分析驗收。這一技術進入成熟的工業(yè)生產(chǎn)，他們所研制的新型超

8、級電容器動力系統(tǒng)，將替代包括從電動汽車到筆記本電腦的一切電能化學電池。    按照2006年4月發(fā)表的專利，美國EESTOR公司這種能量存儲裝置，是用陶瓷粉末涂在鋁氧化物和玻璃的表面。從技術上說，它并不是電池，而是一種超級電容器，它在5分鐘內(nèi)充的電能可以讓一個電動車走500英里，電費只有9美元。而燒汽油的普通汽車走相同里程則要花費60美元。 而EESTOR開發(fā)的超級電容器，由于鋇鈦酸鹽有足夠的純度，存儲能量的能力大大提高。EESTOR公司負責人聲稱，該超級電容器每公斤所存儲的能量可達 0.28千瓦時，相比之下，每公斤鋰電池僅僅是0.12千瓦時。 

9、;   根據(jù)EESTOR公司的聲明，新的超級電容器可反復充電100萬次以上，也不會出現(xiàn)材料降解問題。而且，由于它不是化學電池，而是一種固體狀態(tài)的能量儲存系統(tǒng)，不會出現(xiàn)鋰電池那種過熱甚至爆炸的任何危險，沒有任何安全隱患。美國EESTOR公司的雄心來自其“替代電氣化學電池”的專利。EESTOR公司在2004年就開始計劃建造自己的裝配線，進而獲得批量生產(chǎn)的技術許可。 從他們的計劃看，其裝置在生產(chǎn)成本上也有可能比傳統(tǒng)鋰電池更具有優(yōu)勢。各國專家說，這一發(fā)明的意義相當重大，該突破不僅從根本上改變了電動車在交通運輸中的位置，也將改進諸如風能、太陽能等間歇性能源的利用性能，增進了電網(wǎng)的效率

10、和穩(wěn)定性，滿足人們能源安全的需求，減少對石油的依賴。顯然該突破也對下一代鋰電池的研制者造成嚴重威脅。EESTOR公司負責人指出，他們的技術不僅適用于小型旅客電動汽車，還能取代300馬力的大型汽車。五：超級電池的應用前景超級電容電池作為一種新型的儲能元件，兼顧了雙電層電容器和鋰離子二次電池的優(yōu)點，同時彌補了兩者的缺陷:與傳統(tǒng)的雙電層電容器相比，它具有更高的能量密度;與電池相比，則具有更高的功率密度。同時超級電容電池還具有快速充放電、使用壽命長、對環(huán)境友好等眾多優(yōu)點,所以其作為一種新的儲能器件在很多方面都有廣闊的應用前景,主要有以下幾個方面:(1)電動汽車領域與電池相比,超容電池比功率大、輸出功率

11、大、充電速度快、剎車再生能量回收效率高、用超容電池作為動力源的電動汽車、其綜合運營成本大大低于用電池作為動力源的電動汽車。根據(jù)美國先進電池聯(lián)合會提出的電動車發(fā)展計劃,電動車車用電源系統(tǒng)應滿足的要求有:高比功率(啟動、加速、及爬坡性能)、成本低廉、高比能量(續(xù)航能力)、可快速充電、安全性好。如剛開始就提到的特斯拉汽車就用到超級電池來提供動力。(2)快速啟動應用超級電容電池能夠在較短的時間內(nèi)輸出較大的功率，比如汽車和摩托車上使用的啟動型鉛酸蓄電池，可以在幾秒鐘內(nèi)提供幾十到上百安培的電流，但實際上大部分能量都用不上。若采用超級電容電池，則正好可以發(fā)揮超級電容電池在較短時間輸出較大功率的優(yōu)點；在內(nèi)燃機

12、機車上,用超級電容電池作為電啟動的輔助裝置，可以改善電啟動的性能，很適合用在啟動頻繁的調(diào)車機車上。(3)峰值脈沖功率方面的應用超級電容電池適用在大功率的脈沖電源方面，尤其是使用在無線技術的便攜式裝置，如便攜式計算機、采用GSM和GPRS無線通信的掌上型裝置等。正常工作時，電容器提供傳輸信號時需要的脈沖電流，而鋰離子電池提供穩(wěn)態(tài)電流，這樣不僅可以縮小電源和機體的體積，還可以延長通話時間和電源的使用時間；超級電容電池在部分停電和電源波動時，還可以維持運作，避免造成損失，且能夠延長便攜式裝置中的電池的使用壽命。六：研發(fā)超級電池的背景及意義近年來，隨著傳統(tǒng)能源供應的日益緊張及石油礦產(chǎn)等資源的嚴重僵乏，新能源受到人們越來越多的關注。由于不可再生能源的日益供應緊張，生態(tài)環(huán)境的日益惡化和人們環(huán)保意識的增強,探索清潔可再生的新能源己是未來世界的一種必然發(fā)展趨勢，也是人類努力研究的方向之一。因此，新能源和可再生的清潔能源的研制開發(fā),對于緩解能源危機、減輕環(huán)境污染和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展都具有非常重要的意義，新型化學儲能設備在此背景下得到了更大的發(fā)展空間。而又以超級電容電池為代表的能源儲存與轉換領域成為研究的熱點之一。由于超級電容電池自身的諸多優(yōu)點，因此,