充電機(jī)充電儲(chǔ)能行業(yè)的新星：超級(jí)電容
2017-6-16 11:18:06??????點(diǎn)擊：
當(dāng)今世界，隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，市場(chǎng)上逐漸涌現(xiàn)出一批新概念的電子產(chǎn)品，如可彎折手機(jī)、智能化耳機(jī)、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(dòng)了其配套的芯片儲(chǔ)能器件的發(fā)展，微型充電機(jī)充電超級(jí)電容器應(yīng)運(yùn)而生。
什么是充電機(jī)充電超級(jí)電容器
充電機(jī)充電超級(jí)電容器（supercapacitor）是指相對(duì)傳統(tǒng)電容器而言具有更高容量的一種電容器。通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存能量。是介于電容器和充電機(jī)充電蓄電池之間的儲(chǔ)能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點(diǎn)，又具有充電機(jī)充電蓄電池的儲(chǔ)能特性。
充電機(jī)充電超級(jí)電容器，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(xué)的物理部件，但本身并不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，超級(jí)電容的儲(chǔ)電量特別大，達(dá)到法拉級(jí)的電容量。（還有一大類是法拉第準(zhǔn)電容，但是化學(xué)儲(chǔ)能，所以儲(chǔ)能可以深入到電極內(nèi)部，而且高度可逆，儲(chǔ)能比雙層電容器高，但是功率密度低。）
普通電容器：
兩個(gè)絕緣并且靠近的導(dǎo)體——極板，中間夾一個(gè)絕緣物質(zhì)——電介質(zhì)，兩條引線。
沖電時(shí)不顯示級(jí)性（無(wú)正負(fù)級(jí)），電容器的2個(gè)極板與充電機(jī)充電電源相連時(shí)，電路中有電流通過(guò)，使電容器的2個(gè)極板分別帶上等量異種電荷。
充電機(jī)充電超級(jí)電容器工作原理：
當(dāng)外界電壓加到充電機(jī)充電超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，和普通電容器一樣，極板的正電極儲(chǔ)存正電荷，負(fù)極板儲(chǔ)存負(fù)電荷。在充電機(jī)充電超級(jí)電容器的2個(gè)極板的上電荷電場(chǎng)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(chǎng)。
正電荷和負(fù)電荷以極端的間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫雙電層。充電機(jī)充電超級(jí)電容器的面積來(lái)自一個(gè)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(jī)充電超級(jí)電容器可以做到法拉級(jí)別，一般電容的值為1F-5000F。
隨著充電機(jī)充電超級(jí)電容器放電，正，負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。由此可以看出，超級(jí)點(diǎn)容器的沖放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。因此充放電壽命很長(zhǎng)，可以達(dá)到50w次以上。
優(yōu)點(diǎn)：
1，電容量大。電極接觸面積大。容量很容易超過(guò)1F。比普通電容器提升了3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。目前單體充電機(jī)充電超級(jí)電容器最高可以達(dá)到5000F。
2，超長(zhǎng)壽命，充放電大于50萬(wàn)次，是Li-Ion充電機(jī)充電蓄電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd充電機(jī)充電蓄電池的1000倍，如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。
3，功率密度大?？梢运查g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(jī)充電蓄電池的數(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(jī)充電超級(jí)電容器放電流不低于950A，最高可以到達(dá)1680A）。
4，可以在數(shù)10秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電。
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(jí)電容充放電過(guò)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(jìn)行，所以容量隨溫度衰減非常小。充電機(jī)充電蓄電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達(dá)70% 。
6，產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染，是理想的綠色環(huán)保充電機(jī)充電電源。
7，超級(jí)電容可以串并聯(lián)組成成超級(jí)電容模組，可耐壓儲(chǔ)存更高容量。
缺點(diǎn)：
1，能量密度通常還是要低于化學(xué)充電機(jī)充電蓄電池。雖然2010年實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)可以達(dá)到85W.h/kg，而鋰充電機(jī)充電蓄電池最高可以達(dá)到100-250W.h/kg。
2，自放電率比其他的電化學(xué)充電機(jī)充電蓄電池高。
3，電壓會(huì)隨著放電下降，造成能量損失。充電機(jī)充電超級(jí)電容器2端通常需要與一個(gè)DC/DC變換器相連，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。
4，最大電壓比較低：
充電機(jī)充電超級(jí)電容器的儲(chǔ)能為：Q=0.5*C*U^2（單位：焦耳），因?yàn)楝F(xiàn)在充電機(jī)充電超級(jí)電容器的耐壓值都偏小，所以能量密度太低，一般還是和充電機(jī)充電蓄電池混合使用。
石墨烯充電機(jī)充電超級(jí)電容器
石墨烯充電機(jī)充電超級(jí)電容器為基于石墨烯材料的充電機(jī)充電超級(jí)電容器的統(tǒng)稱。由于石墨烯獨(dú)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(dǎo)電性和大比表面積，石墨烯基材料在充電機(jī)充電超級(jí)電容器中的應(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?jī)?chǔ)存和釋放的過(guò)程中，顯示了一些新穎的特征和機(jī)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(shí)，這種只有一個(gè)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(shí)，石墨本身良好的平面六邊形點(diǎn)陣有利于電子的自由移動(dòng)，從而使其具有超高的導(dǎo)電性，因此被廣泛地應(yīng)用于電極材料的研究中。
尤其是對(duì)于平面化微型充電機(jī)充電超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)，利用石墨烯作為電極材料能夠充分利用石墨烯的優(yōu)勢(shì),不僅能夠進(jìn)一步降低整個(gè)器件薄度、減小體積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電解液離子的快速遷移，從而實(shí)現(xiàn)電荷的高能量存儲(chǔ)。
研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的摻雜可以在其表面誘導(dǎo)形成高的局域電荷，從而提高其化學(xué)活性。但是在摻雜的過(guò)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(chǔ)能器件的研究中。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊(duì)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(jī)充電超級(jí)電容器，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(shí)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(jī)充電超級(jí)電容器
充電機(jī)充電超級(jí)電容器的應(yīng)用
超級(jí)電容具有高功率密度和能量密度、使用壽命很長(zhǎng)、尺寸緊湊等特性，當(dāng)它與其它新興的充電機(jī)充電蓄電池技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，可滿足高性能充電機(jī)充電電源應(yīng)用的需求。
快速充電的產(chǎn)品
有一些應(yīng)用適合采用充電機(jī)充電蓄電池/超級(jí)電容系統(tǒng)。這些應(yīng)用實(shí)例包括汽車應(yīng)用(如混合動(dòng)力汽車)和消費(fèi)電子(如數(shù)碼相機(jī))，在數(shù)碼相機(jī)里，廉價(jià)的堿性充電機(jī)充電蓄電池結(jié)合超級(jí)電容一起使用(而不是使用昂貴的鋰離子充電機(jī)充電蓄電池)。（比如數(shù)碼相機(jī)的閃光燈）
備份能源
在所有備份燃料充電機(jī)充電蓄電池應(yīng)用中，當(dāng)主充電機(jī)充電電源斷掉后，備份充電機(jī)充電電源需要立刻提供充電機(jī)充電電源。因?yàn)槿剂铣潆姍C(jī)充電蓄電池從啟動(dòng)到滿功率運(yùn)行一般需要10秒到60秒的啟動(dòng)時(shí)間，所以它需要一個(gè)能量緩沖器。 越來(lái)越多的燃料充電機(jī)充電蓄電池公司在考慮將超級(jí)電容作為整個(gè)備份充電機(jī)充電電源封包的一個(gè)組成部分。
電動(dòng)汽車
傳統(tǒng)的充電機(jī)充電蓄電池（如鉛酸充電機(jī)充電蓄電池）由于功率密度偏低。在正常行駛時(shí)，電動(dòng)汽車從充電機(jī)充電蓄電池中吸取的平均功率相當(dāng)?shù)?，而加速和爬坡時(shí)的峰值功率又相當(dāng)高，一輛高性能的電動(dòng)汽車的峰值功率與平均功率之比可達(dá)到16：1。事實(shí)上，電動(dòng)汽車行駛中用于加速和爬坡時(shí)所消耗的能量占到總能耗的2／3。
充電機(jī)充電蓄電池與充電機(jī)充電超級(jí)電容器混合動(dòng)力車的出現(xiàn)很好地解決了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾。其中由充電機(jī)充電蓄電池提供最佳的續(xù)駛里程，而由超級(jí)電容在加速和爬坡需要大功率時(shí)提供短時(shí)的輔助動(dòng)力。超級(jí)電容的能量可以直接取自充電機(jī)充電蓄電池，也可以在電動(dòng)汽車剎車或下坡時(shí)回收可再生的動(dòng)能。
加裝超級(jí)電容還解決了低溫啟動(dòng)困難的問(wèn)題，鉛酸充電機(jī)充電蓄電池的低溫性能也較差，在—40℃時(shí)它的電流輸出能力約是常溫時(shí)的1/10左右。所以造成了機(jī)動(dòng)車的低溫啟動(dòng)困難。而超級(jí)電容的正常工作溫度在-40℃至+70℃之間。機(jī)動(dòng)車在-15℃時(shí)啟動(dòng)已經(jīng)困難，而用充電機(jī)充電超級(jí)電容器即使是在-30℃時(shí)，仍能順利啟動(dòng)。
在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用
目前主要的儲(chǔ)能系統(tǒng)有充電機(jī)充電蓄電池和充電機(jī)充電超級(jí)電容器兩種方案。 充電機(jī)充電蓄電池的充放電特性不好，充電時(shí)間長(zhǎng)，充電、放電電流不能太大；充電機(jī)充電蓄電池需要維護(hù)；充電機(jī)充電蓄電池的低溫特性不好，在寒冷季節(jié)容量會(huì)衰減；充電機(jī)充電蓄電池的循環(huán)壽命短，可靠性不強(qiáng)。
充電機(jī)充電超級(jí)電容器的特點(diǎn)突出：高效率、大電流放電、寬電壓范圍、寬溫度范圍、狀態(tài)易監(jiān)控、長(zhǎng)循環(huán)壽命、長(zhǎng)工作壽命、免維護(hù)、環(huán)保。而且風(fēng)力發(fā)電的電流波動(dòng)范圍比較大，充電機(jī)充電超級(jí)電容器又沒(méi)有嚴(yán)格的充電電流限制。因此它極為適合在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這樣的工況環(huán)境中工作。
在飛機(jī)上的應(yīng)用
充電機(jī)充電超級(jí)電容器在以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的直流充電機(jī)充電電源車上的采用,可解決充電機(jī)充電電源車啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間功率不足的技術(shù)難題。同時(shí),在啟動(dòng)瞬間充電機(jī)充電超級(jí)電容器對(duì)直流充電機(jī)充電電源車發(fā)電系統(tǒng)尤其是內(nèi)燃機(jī)具有很大的保護(hù)作用。對(duì)于逆變充電機(jī)充電電源,同樣也可以和充電機(jī)充電超級(jí)電容器結(jié)合組成大功率特種沖擊充電機(jī)充電電源設(shè)備,可提供數(shù)千安培的沖擊電流,供啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)為電器的控制器添加后備充電機(jī)充電電源，超級(jí)電容的出現(xiàn)給他們帶來(lái)了解決這一問(wèn)題的新的方法，超級(jí)電容因具有容量大、充放電快、還有超長(zhǎng)的工作壽命循環(huán)充放電可以達(dá)到10萬(wàn)次以上、安全可靠無(wú)污染以及其外型和紐扣充電機(jī)充電蓄電池相似使用很方便等特性成為控制器后備充電機(jī)充電電源的最佳選擇。
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(jī)充電超級(jí)電容器的瞬間大電流放電正好符合要求。
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