電子行業(yè):超級(jí)電容具備超級(jí)前景
2020-07-07
超級(jí)電容可以廣泛應(yīng)用于輔助峰值功率、備用電源、存儲(chǔ)再生能量、替代電源等不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在工業(yè)控制、風(fēng)光發(fā)電、交通工具、智能三表、電動(dòng)工具、軍工等領(lǐng)域具有非常廣闊的發(fā)展前景，特別是在部分應(yīng)用場(chǎng)景具有非常大的性能優(yōu)勢(shì)。根據(jù)美國(guó)能源局測(cè)算，超級(jí)電容的市場(chǎng)容量從2007 年的40 億美元，增長(zhǎng)到2013 年的120 億美元，中國(guó)市場(chǎng)超級(jí)電容2013 年則達(dá)到了19.2 億元人民幣。一旦汽車等應(yīng)用打開(kāi)，市場(chǎng)將迎來(lái)快速的爆發(fā)。
1.雙電層理論：超級(jí)電容的工作原理：
1.1雙電層理論
超級(jí)電容（法拉電容、黃金電容）是利用電子導(dǎo)體活性炭與離子導(dǎo)體有機(jī)或無(wú)機(jī)電解液之間形成感應(yīng)雙電荷層原理制成的電容器。超級(jí)電容器電荷距離遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電容器介質(zhì)材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小，活性炭電極表面積成數(shù)量級(jí)增大，使得超級(jí)電容較傳統(tǒng)電容器而言有超級(jí)大的靜電容量，這也是其超級(jí)所在。
雙電層電容器是建立在雙電層理論基礎(chǔ)之上的。1879年Helmholz發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)界面的雙電層電容性質(zhì)；1957年，Becker申請(qǐng)了第一個(gè)由高比表面積活性炭作電極材料的電化學(xué)電容器方面的專利（提出可以將小型電化學(xué)電容器用做儲(chǔ)能器件）；1962年標(biāo)準(zhǔn)石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種6V的以活性碳(AC)作為電極材料，以硫酸水溶液作為電解質(zhì)的超級(jí)電容器，1969年該公司首先實(shí)現(xiàn)了碳材料電化學(xué)電容器的商業(yè)化;1979年NEC公司開(kāi)始生產(chǎn)超級(jí)電容器(SuperCapacitor)，開(kāi)始了電化學(xué)電容器的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用;隨著材料與工藝關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，產(chǎn)品質(zhì)量和性能不斷得到穩(wěn)定和提升，到了九十年代末開(kāi)始進(jìn)人大容量高功率型超級(jí)電容器的全面產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時(shí)期。
在超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化上，最早是1980年NEC/Tokin與1987年松下三菱的產(chǎn)品.到20世紀(jì)90年代，Econd和ELIT推出了適合于大功率啟動(dòng)動(dòng)力場(chǎng)合的電化學(xué)電容器.如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、NESS等公司在超級(jí)電容器方面的研究均非?；钴S。目前美國(guó)、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個(gè)超級(jí)電容器市場(chǎng)，各個(gè)國(guó)家的超級(jí)電容量器產(chǎn)品在功率、容量、價(jià)格等方面都自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
電容器不同于電池，在充放電時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電能的儲(chǔ)存或釋放是通過(guò)靜電場(chǎng)建立的物理過(guò)程來(lái)完成的，電極和電解液幾乎不會(huì)老化，因此使用壽命長(zhǎng)，并且可以實(shí)現(xiàn)快速充電和快速大電流放電。
當(dāng)外加電壓加到兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，超級(jí)電容器正負(fù)極板會(huì)分別產(chǎn)生正負(fù)電荷，在兩極板電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，電解液中的電荷會(huì)重新分布，并在與電極的接觸界面上形成以極短間隙排列在相反位置上的相反電荷，以平衡電解液內(nèi)電場(chǎng)，從而形成特殊的雙電層電荷分布結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器是從多孔碳基電極材料得到其儲(chǔ)存電荷面積的，它每克的表面積可高達(dá)2000平方米。而超級(jí)電容器中電荷分隔的距離是由電解質(zhì)中的離子大小決定的，其值小于10埃。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級(jí)電容有很大的電容量。隨著超級(jí)電容器放電，正負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，在電解液界面上的電荷相應(yīng)減少，所以充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。
1.2各領(lǐng)風(fēng)騷：超級(jí)電容vs鋰電池
能量?jī)?chǔ)存是超級(jí)電容與電池的功能特點(diǎn)，故而在風(fēng)光發(fā)電、電動(dòng)汽車等等應(yīng)用領(lǐng)域中，超級(jí)電容與電池特別是鋰電池的技術(shù)之爭(zhēng)從未平息。
從能量密度和功率密度的角度來(lái)看，電池共同的特點(diǎn)是能量密度相對(duì)較高，但是由于電流較小，功率密度較低。而超級(jí)電容則正好相反，由于電流較大，功率密度較高，但是受限于材料等因素，能量密度較低。
相比于電池（鉛酸、鎳錳、鋰），超級(jí)電容具有充電速度塊，功率密度高、壽命長(zhǎng)、安全性好、環(huán)保、工作范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在一定的應(yīng)用場(chǎng)合將成為傳統(tǒng)電池的替代者。
而超級(jí)電容最大的問(wèn)題在于能量密度較低，包括體積能量密度和重量能量密度兩個(gè)方面，所以更多應(yīng)用在體積、重量相對(duì)不太敏感，對(duì)于瞬間大電流有應(yīng)用要求的使用環(huán)境。
事實(shí)上，我們相信未來(lái)更多的應(yīng)用將是把超級(jí)電容與傳統(tǒng)電池結(jié)合的模組化產(chǎn)品，又超級(jí)電容滿足瞬間功率要求，由電池提供穩(wěn)態(tài)功率輸出。
2.超級(jí)電容的廣闊空間
超級(jí)電容可以廣泛應(yīng)用于輔助峰值功率、備用電源、存儲(chǔ)再生能量、替代電源等不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在工業(yè)控制、風(fēng)光發(fā)電、交通工具、智能水表、電動(dòng)工具、軍工等領(lǐng)域具有非常廣闊的發(fā)展前景，特別是在部分應(yīng)用場(chǎng)景具有非常大的性能優(yōu)勢(shì)。
從過(guò)去幾年超級(jí)電容市場(chǎng)領(lǐng)先的Maxwell的情況來(lái)看，從2007年的1740萬(wàn)美元，到2012年接近1億美元，呈現(xiàn)出快速的增長(zhǎng)勢(shì)頭。
根據(jù)美國(guó)能源局測(cè)算，超級(jí)電容的市場(chǎng)容量從2007年的40億美元，增長(zhǎng)到2013年的120億美元。而中國(guó)市場(chǎng)超級(jí)電容2013年則達(dá)到了19.2億元人民幣，預(yù)計(jì)到2016年將超過(guò)33.8億元人民幣。一旦汽車等應(yīng)用打開(kāi)，市場(chǎng)將迎來(lái)快速的爆發(fā)。
2.1新能源應(yīng)用潛力巨大
新能源領(lǐng)域中，太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源具有時(shí)間上的不均勻性，在晝夜和不同季節(jié)的分布上變化較大，超級(jí)電容與由于充電快、壽命長(zhǎng)，可靠性強(qiáng)，耐大電流能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以在太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
在太陽(yáng)能、風(fēng)能輸出不穩(wěn)定時(shí)，由超級(jí)電容器作為緩沖器存儲(chǔ)過(guò)剩能量，在電能輸出不足時(shí)則將超級(jí)電容器中存儲(chǔ)能量在短時(shí)間內(nèi)釋放。
同時(shí)新能源采集中，需要用到各類機(jī)械控制系統(tǒng)，以往這類系統(tǒng)的能源由電池提供，由于工作具有間歇性和瞬間強(qiáng)度大等特點(diǎn)，導(dǎo)致電池壽命大大降低。超級(jí)電容器由于充放電快，壽命長(zhǎng)，特別適合這種應(yīng)用場(chǎng)景，更可以減少頻繁更換電池帶來(lái)的人工和維護(hù)成本。
2.2電動(dòng)汽車：超級(jí)電容與鋰電池整合方案
隨著Tesla的銷售火熱帶動(dòng)了整個(gè)市場(chǎng)對(duì)于新能源汽車的巨大熱情，超級(jí)電容作為新能源汽車的能源選擇之一受到廣泛的關(guān)注和研究。
目前來(lái)看超級(jí)電容主要包括兩類應(yīng)用，一是應(yīng)用于純電或混合動(dòng)力電動(dòng)車，作為能量存儲(chǔ)緩沖單元，在汽車減速或停車時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容模組中，在啟動(dòng)過(guò)程中利用超級(jí)電容的瞬間大功率特性，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作。智能啟?？刂葡到y(tǒng)成為了超級(jí)電容在新能源汽車領(lǐng)域的重要應(yīng)用。
另一類應(yīng)用則是具有穩(wěn)定行進(jìn)線路的超級(jí)電容公交大巴，這一應(yīng)用目前已經(jīng)在包括上海等幾個(gè)城市展開(kāi)試點(diǎn)。以超級(jí)電容作為主要?jiǎng)恿υ?4.700, 0.01, 0.21%)時(shí)，由于超級(jí)電容目前存在能量密度小的問(wèn)題，續(xù)航里程相對(duì)較短。但是應(yīng)用于具有穩(wěn)定行進(jìn)路線的公交大巴應(yīng)用時(shí)，由于站點(diǎn)間距離有限，可以利用停站上下客的時(shí)間快速充電，恰好符合超級(jí)電容的性能特點(diǎn)。
2.3智能水表應(yīng)用：大幅降低維護(hù)成本
傳統(tǒng)的智能水表，在控制水閥普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池的設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于重量輕、能量大、自放電率低等。但是鋰電池使用到一定時(shí)間后，不得不更換電池，需要上門為用戶更換電池或水表，增加了后續(xù)的維護(hù)成本。對(duì)于水表生產(chǎn)廠家和自來(lái)水公司來(lái)說(shuō)都是一件繁瑣的事。另外，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機(jī)的，如果不精確和及時(shí)的監(jiān)測(cè)電池電量，將無(wú)法可靠的關(guān)斷水閥，造成無(wú)法計(jì)費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內(nèi)部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點(diǎn)，直接影響到它的推廣和使用。
用超級(jí)電容代替鋰電池可以解決這個(gè)問(wèn)題。超級(jí)電容是一種無(wú)源器件，介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性，并且重復(fù)使用壽命長(zhǎng)，放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，從而為設(shè)備提供電源。
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