關(guān)于超級(jí)電容電池的一些討論

1、關(guān)于超級(jí)電容電池的一些討論摘要本文主要討論了電池的發(fā)展由來(lái)，超級(jí)電容電池的理論介紹與實(shí)際應(yīng)用，以及它與普通蓄電池性能對(duì)比；并且提出了超導(dǎo)電感電池的想法和我們的初步設(shè)計(jì)。Abstract:This essay mainly discussed the origin and development of traditional batteries, the idea of super capacitor battery and the differences in their performances. Meanwhile, we raise our own innovative concept

2、of Super Inductive Battery and our preliminary design.前言超級(jí)電容的的功率密度大，充分電時(shí)間短，充放電特性好，壽命長(zhǎng)，在新能源汽車上有廣闊的發(fā)展前景。這次上海世博會(huì)的園內(nèi)公交全部使用超級(jí)電容公交，在每個(gè)停靠點(diǎn)只需短時(shí)間充電便能維持客車的良好運(yùn)行。因此，在超級(jí)電容上作研究是完全有必要的。主體1.電的儲(chǔ)存電池的最早出現(xiàn)在古希臘，那是人們希望把靜電這種神奇的東西保存下來(lái)。他們利用導(dǎo)線將摩擦所起的電引向裝有鐵釘和水的玻璃瓶，實(shí)現(xiàn)了電荷的存儲(chǔ)，而這恰恰是現(xiàn)在電池的基本雛形。在這種想法的激勵(lì)下，利用電化學(xué)反應(yīng)存儲(chǔ)電能的蓄電池產(chǎn)生了，利用這種方法存儲(chǔ)電能

3、的電池有著較大的容量，確受到放電電流等因素的牽制。然而，基于電容儲(chǔ)能思想而發(fā)現(xiàn)的超級(jí)電容在某些方面有著比普通蓄電池更好的性能。超級(jí)電容電池與普通蓄電池對(duì)比表超級(jí)電容電池普通蓄電池充電速度快(10s-10min)充電速度慢(2-3h)使用壽命長(zhǎng)（50萬(wàn)次充電）使用壽命較短（100-500次充電）大電流放電能力超強(qiáng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)大電流放電功率密度高（3005000W/KG）功率密度較低（30-500W/KG）生產(chǎn)過(guò)程綠色環(huán)保含有有害物質(zhì)超低溫特性好（-40-70）工作溫度范圍小剩余電量可直接讀出（通過(guò)兩端電壓）剩余儲(chǔ)能不易測(cè)量2.超級(jí)電容的大電容特性雖然超級(jí)電容有著種種優(yōu)勢(shì)，但續(xù)航能力方面卻有這很大的不

4、足，就拿世博超級(jí)電容公交車來(lái)說(shuō)，在每個(gè)?？奎c(diǎn)都必需充電，雖然只需短短的幾十秒，卻限制了它在更大的范圍內(nèi)推廣。那么如何才能提高超級(jí)電容的續(xù)航能力呢? 由于C=S/4kd，所以要提高電容可以采用增加和極板面積S，或者縮短極板間距離的方法。² 減小極板間距離。超級(jí)電容采用活性炭材料制作成多孔電極,同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液,當(dāng)在兩端施加電壓時(shí),相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子,而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上,從而形成兩個(gè)集電層, ,而電解液與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)² 增大S。由于多

5、空活性炭才用了層疊結(jié)構(gòu)（類似于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，一定程度上運(yùn)用了仿生學(xué)原理），它的實(shí)際極板面積S可能比目測(cè)面積大幾十倍，因此獲得了極大的S² 增大?；钚蕴考妼又g的填充特殊的電解液，有著較大的值。超級(jí)電容的電容可達(dá)0.1-1000F,正是由于它在每個(gè)可能提高電容的參數(shù)上都有所改進(jìn)。 超級(jí)電容基本結(jié)構(gòu) 普通鋅錳干電池3.超級(jí)電容電池的實(shí)際運(yùn)用中的注意點(diǎn)² 和普通電池一樣，超級(jí)電容可以通過(guò)串聯(lián)來(lái)提高輸出電壓，但是卻存在單體間的電壓均衡問(wèn)題?？赡軙?huì)因?yàn)橐粋€(gè)電容的過(guò)載而損壞所有與它串聯(lián)的電容。² 超級(jí)電容的內(nèi)阻較大，因此可以通過(guò)并聯(lián)來(lái)減小內(nèi)阻，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)了電容的增大，提高了輸出電

6、流。² =RC，由于超級(jí)電容本身內(nèi)阻較大，因此不接外電阻時(shí)在12s，完全給阻-容式電路放電大約需要5，也就是說(shuō)如果短路放電大約需要510s（由于超級(jí)電容電池自身特性而且內(nèi)阻大，短路對(duì)它來(lái)說(shuō)也不是致命的，這也是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)）。² 由于U=Q/C，隨著電容的放電，超級(jí)電容的輸出電壓會(huì)逐漸減小，而U=Q/C，由于C很大，所以Q的減小對(duì)U的變化不是很大。正是由于電壓原因，使超級(jí)電容需要頻繁充電。4.關(guān)于超級(jí)電容參數(shù)的計(jì)算4.1已知工作時(shí)的起始和截至電壓Vmax和Vmin ，工作時(shí)間t，工作電流I ，求所需要的超級(jí)電容容量大小。 超級(jí)電容輸出能量 超級(jí)電容減少能量 又因?yàn)?E1 =

7、E2 由得： 舉例如下：如單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)用超級(jí)電容作為后備電源，在掉電后需要用超級(jí)電容維持100mA的電流，持續(xù)時(shí)間為10s,單片機(jī)系統(tǒng)截止工作電壓為4.2V，那么需要多大容量的超級(jí)電容能夠保證系統(tǒng)正常工作？則 C = = 1.25F也就是說(shuō)，要維持這個(gè)單片機(jī)的工作，只要一個(gè)大于1.25F的超級(jí)電容電池就夠了。4.2對(duì)于世博園區(qū)內(nèi)的超級(jí)電容車，每公里平均消耗電能0.98度，中途充電時(shí)間為30秒鐘，一次充電可運(yùn)行8公里,最高速度達(dá)到每小時(shí)50公里，工作電流1000A 、工作電壓900- 1000V。將各參數(shù)帶入公式計(jì)算得，公交車所需電容約為96F,也就是說(shuō)，可以通過(guò)4個(gè)24F的超級(jí)電容電池

8、串聯(lián)獲得，在啟動(dòng)或爬坡時(shí)可獲得接近2000A的電流，突破了蓄電池驅(qū)動(dòng)電車能提供的最高1000A的瞬間電流。5.關(guān)于新型電池的思考傳統(tǒng)電池由于電流，電壓等方面局限性，已經(jīng)不能滿足有些需要較大功率的設(shè)備的電池供電。超級(jí)電容電池的有點(diǎn)在于它能提供400-2000A的大電流，但如果需要提供高電壓，我們能不能使用”超級(jí)電感電池”呢?1I超導(dǎo)電感電池示意圖AB如圖，如果設(shè)計(jì)如圖所示的超感電感電池，其中導(dǎo)線為超導(dǎo)導(dǎo)線，即電能以電流的形式存儲(chǔ)起來(lái)，由于沒(méi)有電阻，不存在能量損耗。而所存儲(chǔ)的電能為W=1/2LI2，如果L很大，能儲(chǔ)存的電能將會(huì)很大。使用電池時(shí)，只需將用電器接于A，B端，然后斷開(kāi)AB支路。此時(shí)瞬時(shí)電壓U=LdI/dt,由于L很大，可以提供很高的電壓。但電流小于額定電流時(shí)，電池放電完畢，W=1/2LI12-1/2LI22，即超導(dǎo)電感電池電池的實(shí)際容量。然而，這種超級(jí)電感電池可能和超級(jí)電容電池存在著同樣的問(wèn)題，類似于放電電流不穩(wěn)定，充電時(shí)間短但間隔也短。普通電池超級(jí)電容電池超導(dǎo)電感電池提供穩(wěn)定的的電流電壓輸出提供高電流輸出提供高電壓輸出普通電池，