【充電機充電儲能系統(tǒng)解析】有容乃大的超級電容
2017-7-21 10:37:47??????點擊：
當今世界，隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，市場上逐漸涌現(xiàn)出一批新概念的電子產(chǎn)品，如可彎折手機、智能化耳機、微型化傳感器等微系統(tǒng)。而這些柔性化、微型化的智能電子產(chǎn)品的出世，帶動了其配套的芯片儲能器件的發(fā)展，微型充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)應(yīng)運而生。
什么是充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)
充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)是指相對傳統(tǒng)電容器而言具有更高容量的一種電容器。通過極化電解質(zhì)來儲存能量。是介于電容器和充電機充電電池之間的儲能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有充電機充電電池的儲能特性。
充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)，又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容。它與普通電容的最大區(qū)別是它是一種電化學的物理部件，但本身并不進行化學反應(yīng)，超級電容的儲電量特別大，達到法拉級的電容量。（還有一大類是法拉第準電容，但是化學儲能，所以儲能可以深入到電極內(nèi)部，而且高度可逆，儲能比雙層電容器高，但是功率密度低。）
普通電容器：
兩個絕緣并且靠近的導體——極板，中間夾一個絕緣物質(zhì)——電介質(zhì)，兩條引線。
沖電時不顯示級性（無正負級），電容器的2個極板與直流穩(wěn)壓電源相連時，充電機充電電路中有電流通過，使電容器的2個極板分別帶上等量異種電荷。
充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)工作原理：
當外界充電機充電電壓加到充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的兩個極板上時，和普通電容器一樣，極板的正電極儲存正電荷，負極板儲存負電荷。在充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的2個極板的上電荷電場的作用下，在電解液與電極之間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場。
正電荷和負電荷以極端的間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫雙電層。充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的面積來自一個多孔的碳基電極材料，這種材料的多孔結(jié)構(gòu)，允許其面積接近2000平方米每克。
電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm，因此電容量非常大。大多數(shù)充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)可以做到法拉級別，一般電容的值為1F-5000F。
隨著充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)放電，正，負極板上的電荷被外充電機充電電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。由此可以看出，超級點容器的沖放電過程始終是物理過程，沒有化學反應(yīng)。因此充放電壽命很長，可以達到50w次以上。
優(yōu)點：
1，電容量大。電極接觸面積大。容量很容易超過1F。比普通電容器提升了3-4個數(shù)量級。目前單體充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)最高可以達到5000F。
2，超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion充電機充電電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd充電機充電電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。
3，功率密度大。可以瞬間提供高電流。超低串聯(lián)等效電阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子充電機充電電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上，2700F的充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)放電流不低于950A，最高可以到達1680A）。
4，可以在數(shù)10秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電機充電。
5，可以在很寬的溫度下工作（-40攝氏度-+70攝氏度）低溫性能優(yōu)越。超級電容充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進行，所以容量隨溫度衰減非常小。充電機充電電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達70% 。
6，產(chǎn)品原材料構(gòu)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)保直流穩(wěn)壓電源。
7，超級電容可以串并聯(lián)組成成超級電容模組，可耐壓儲存更高容量。
缺點：
1，能量密度通常還是要低于化學充電機充電電池。雖然2010年實驗室中已經(jīng)可以達到85W.h/kg，而鋰充電機充電電池最高可以達到100-250W.h/kg。
2，自放電率比其他的電化學充電機充電電池高。
3，充電機充電電壓會隨著放電下降，造成能量損失。充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)2端通常需要與一個DC/DC變換器相連，以保證輸出充電機充電電壓的穩(wěn)定。
4，最大充電機充電電壓比較低：
充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的儲能為：Q=0.5*C*U^2（單位：焦耳），因為現(xiàn)在充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的耐壓值都偏小，所以能量密度太低，一般還是和充電機充電蓄電池混合使用。
石墨烯充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)
石墨烯充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)為基于石墨烯材料的充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的統(tǒng)稱。由于石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)和出色的固有的物理特性，諸如異常高的導電性和大比表面積，石墨烯基材料在充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)中的應(yīng)用具有極大的潛力。石墨烯基材料與傳統(tǒng)的電極材料相比，在能量儲存和釋放的過程中，顯示了一些新穎的特征和機制。
層層堆疊阻礙石墨烯，片層的雙電層作用的發(fā)揮
石墨烯是一種二維的碳材料，將有序排列的、蜂窩狀、層層堆疊形成的石墨，剝離成單層的薄片時，這種只有一個碳原子厚度的單層石墨就被稱為石墨烯。
這種單原子厚度的石墨烯不僅具有超高比的表面積，同時，石墨本身良好的平面六邊形點陣有利于電子的自由移動，從而使其具有超高的導電性，因此被廣泛地應(yīng)用于電極材料的研究中。
尤其是對于平面化微型充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)來說，利用石墨烯作為電極材料能夠充分利用石墨烯的優(yōu)勢,不僅能夠進一步降低整個器件薄度、減小體積，同時實現(xiàn)了電解液離子的快速遷移，從而實現(xiàn)電荷的高能量存儲。
研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的摻雜可以在其表面誘導形成高的局域電荷，從而提高其化學活性。但是在摻雜的過程中，以石墨烯為前軀體，精確制備出厚度均一、大面積雜原子摻雜的石墨烯薄膜仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。
在石墨烯芯片儲能器件的研究中。中國科學院大連化學物理研究所科研團隊采用自下而上逐步熱解法成功制備出連續(xù)、均勻的硫摻雜石墨烯薄膜；以該薄膜為電極，采用微納加工技術(shù)構(gòu)建微型充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)，表現(xiàn)出高體積比容量、優(yōu)異倍率性能、超快的頻率響應(yīng)時間，及高功率密度 (J. Am. Chem. Soc. 2017,DOI:10.1021/jacs.7b00805)。
光還原石墨烯微型充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)
充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的應(yīng)用
超級電容具有高功率密度和能量密度、使用壽命很長、尺寸緊湊等特性，當它與其它新興的充電機充電電池技術(shù)結(jié)合使用時，可滿足高性能直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用的需求。
快速充電機充電的產(chǎn)品
有一些應(yīng)用適合采用充電機充電電池/超級電容系統(tǒng)。這些應(yīng)用實例包括汽車應(yīng)用(如混合動力汽車)和消費電子(如數(shù)碼相機)，在數(shù)碼相機里，廉價的堿性充電機充電電池結(jié)合超級電容一起使用(而不是使用昂貴的鋰離子充電機充電電池)。（比如數(shù)碼相機的閃光燈）
備份能源
在所有備份燃料充電機充電電池應(yīng)用中，當主直流穩(wěn)壓電源斷掉后，備份直流穩(wěn)壓電源需要立刻提供直流穩(wěn)壓電源。因為燃料充電機充電電池從啟動到滿功率運行一般需要10秒到60秒的啟動時間，所以它需要一個能量緩沖器。 越來越多的燃料充電機充電電池公司在考慮將超級電容作為整個備份直流穩(wěn)壓電源封包的一個組成部分。
電動汽車
傳統(tǒng)的充電機充電蓄電池（如充電機充電鉛酸電池）由于功率密度偏低。在正常行駛時，電動汽車從充電機充電蓄電池中吸取的平均功率相當?shù)?，而加速和爬坡時的峰值功率又相當高，一輛高性能的電動汽車的峰值功率與平均功率之比可達到16：1。事實上，電動汽車行駛中用于加速和爬坡時所消耗的能量占到總能耗的2／3。
充電機充電蓄電池與充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)混合動力車的出現(xiàn)很好地解決了電動汽車續(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾。其中由充電機充電蓄電池提供最佳的續(xù)駛里程，而由超級電容在加速和爬坡需要大功率時提供短時的輔助動力。超級電容的能量可以直接取自充電機充電蓄電池，也可以在電動汽車剎車或下坡時回收可再生的動能。
加裝超級電容還解決了低溫啟動困難的問題，鉛酸充電機充電蓄電池的低溫性能也較差，在—40℃時它的電流輸出能力約是常溫時的1/10左右。所以造成了機動車的低溫啟動困難。而超級電容的正常工作溫度在-40℃至+70℃之間。機動車在-15℃時啟動已經(jīng)困難，而用充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)即使是在-30℃時，仍能順利啟動。
在風力發(fā)電中的應(yīng)用
目前主要的儲能系統(tǒng)有充電機充電蓄電池和充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)兩種方案。 充電機充電蓄電池的充放電特性不好，充電時間長，充電、放電電流不能太大；充電機充電蓄電池需要維護；充電機充電蓄電池的低溫特性不好，在寒冷季節(jié)容量會衰減；充電機充電蓄電池的循環(huán)壽命短，可靠性不強。
充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的特點突出：高效率、大電流放電、寬充電機充電電壓范圍、寬溫度范圍、狀態(tài)易監(jiān)控、長循環(huán)壽命、長工作壽命、免維護、環(huán)保。而且風力發(fā)電的電流波動范圍比較大，充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)又沒有嚴格的充電電流限制。因此它極為適合在風力發(fā)電機組這樣的工況環(huán)境中工作。
在飛機上的應(yīng)用
充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)在以內(nèi)燃機為動力的直流穩(wěn)壓電源車上的采用,可解決直流穩(wěn)壓電源車啟動飛機發(fā)動機瞬間功率不足的技術(shù)難題。同時,在啟動瞬間充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)對直流穩(wěn)壓電源車發(fā)電系統(tǒng)尤其是內(nèi)燃機具有很大的保護作用。對于逆變直流穩(wěn)壓電源,同樣也可以和充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)結(jié)合組成大功率特種沖擊直流穩(wěn)壓電源設(shè)備,可提供數(shù)千安培的沖擊電流,供啟動飛機發(fā)動機之用。
在數(shù)字電器控制器中的應(yīng)用
電器的制造廠家都會為電器的控制器添加后備直流穩(wěn)壓電源，超級電容的出現(xiàn)給他們帶來了解決這一問題的新的方法，超級電容因具有容量大、充放電快、還有超長的工作壽命循環(huán)充放電可以達到10萬次以上、安全可靠無污染以及其外型和紐扣充電機充電電池相似使用很方便等特性成為控制器后備直流穩(wěn)壓電源的最佳選擇。
在軍事上的應(yīng)用
可以用于高能脈沖設(shè)備或者高能脈沖武器。比如激光武器的充能需要瞬間高能供應(yīng)。充電機充電儲能超級電容器系統(tǒng)的瞬間大電流放電正好符合要求。
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