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科普基础知识:超级电容器

定义
超级电容器电池又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是一种新型储能装置,它通过极化电解质来储能,具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点,一般使用活性碳电极材料,具有吸附面积大,静电储存多的特点,在新能源汽车中有广泛使用。
超级电容器电池
超级电池器简介
电能是当代社会不可或缺的重要资源,而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。近年来随着便携式设备、不间断电源系统以及电动车的大量开发使用,蓄电池的使用量日益增加。可充电蓄电池,特别是铅酸蓄电池凭借其价格低廉、性能稳定、没有记忆功能等卓越特点普遍应用在各行各业。但蓄电池受其先天条件的制约,存在着循环寿命差、高低温性能差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题,传统蓄电池已经越来越无法满足人们对储能系统的要求,给超级电容器电池的发展提供了广阔的空间。

超级电容器的原理
超级电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解质接触时,由于库仑力、分子间力或原子间力的作用,使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷,称为界面双电层。赝电容也称为法拉第准电容,是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应,产生和电极充电电位有关的电容。超级电容器电池原理

超级电容器的应用
超级电容器作为产品已趋于成熟,其应用范围也不断拓展,在工业、消费电子、通讯、医疗器械、国防、军事装备、交通等领域得到越来越广泛的应用。从小容量的特殊储能到大规模的电力储能,从单独储能到与蓄电池或燃料电池组成的混合储能,超级电容器都展示出了独特的优越性。美、欧、日、韩等发达国家和地区对超级电容器的应用进行了卓有成效的研究。概括起来,有关超级电容器的应用或应用研究可以分为以下几个方面。
01小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源
后备电源
当主电源中断、由于振动产生接触不良或由于其他重载引起系统电压降低时,超级电容器就能够起后备电源作用。其电量通常在微安或毫安级。典型的应用有:录像机、TV卫星接收器、汽车音频系统、出租车的计量器、无线电波接收器、出租计费器、闹钟、控制器、家用面包机、咖啡机、照相机和电视机、计数器、移动电话、寻呼机等。 
替换电源
由于超级电容器具有高充放电次数、寿命长、使用温度范围宽、循环效率高以及低自放电的特点,故很适合做替换电源。例如,白天太阳能提供电源并对超级电容器充电,晚上则由超级电容器提供电源。典型的应用有太阳能手表、路标灯、公共汽车停车站时间表灯、交通信号灯等,它们能长时间使用,不需要任何维护。 
主电源
通过一个或几个超级电容器释放持续几毫秒到几秒的大电流。放电之后,超级电容器再由低功率的电源充电。其典型的应用有玩具车,其体积小、重量轻,能很快跑动。 
02电动汽
普通电池虽然能量密度高,行驶里程长,但是存在充电时间长、无法大电流充电、工作寿命短等不足。电动汽车的动力源有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等。与之相比,超级电容器功率大,充电速度快,输出功率大,刹车再生能量回收效率高。超级电容在新能源汽车中主要有三类应用:一是作为动力设备,如上海11路公交即为超级电容大巴,车辆运行中途充电只需30秒,一次充电可行驶5~8公里,既节能环保又兼顾城市景观;二是作为发动机的辅助驱动,在汽车快速启动时提供较大的驱动电流,减少了油耗和不完全燃烧的污染排放;三是对制动能量进行回收利用,当汽车需要加速时,再将这些储存的能量释放出来,提高了能源的使用效率。由于超级电容器的寿命是普通化学电池的100倍以上且彻底免维护,使用超级电容器作为动力源的城市交通电动汽车综合运营成本大大低于采用电池作为动力源的电动汽车。目前世界各国都在开发电动汽车,主要倾向是开发混合电动汽车(HEV),用电池为电动汽车的正常运行提供能量,而加速和爬坡时可以由超级电容器来补充能量。另外,用超大容量电容器存储制动时产生的再生能量。在电动车辆行驶时,起步快,加速快,爬坡能力强。
03可再生能源发电系统/分布式电力系统
在可再生能源发电或分布式电力系统中,发电设备的输出功率具有不稳定性和不可预测性的特点。采用超级电容器储能,可以充分发挥其功率密度大、循环寿命长、储能密度高、无需维护等优点,既可以单独储能,也可以与其他储能装置混合储能。其优点有一是循环寿命,电池循环寿命要求比较高,最好是能够持续使用15年以上。二是大功率充放电性能。三是工作适应温度比较宽一点,尽可能在零下40和70度都有较好的充放电能力。四是安全稳定问题,纯电动和混合电动都出现过安全事故,这块大家都非常关注。五是充放电效率,动力电池中能量的循环必须经过充电-放电-充电的循环,高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。超级电容器与太阳能电池相结合,可以应用于路灯、交通警示牌、交通标志灯等。超级电容器还应用于风力发电、燃料电池等分布式发电系统,可以对系统起到瞬间功率补偿的作用,并可以在发电中断时作为备用电源,以提高供电的稳定性和可靠性。在风电设备系统中,超级电容不会过充,过放影响寿命,充放电过程仅仅是物理层面上的变化,不会对常年密闭空间作业的轮毂内部造成二次污染,超级电容以保持稳定的直流电压,保证变桨伺服电机的正常运作。 
04变频驱动系统的能量缓冲器
超级电容器与功率变换器构成能量的缓冲器,可以用于电梯等变频驱动系统。当电梯上升时,能量缓冲器向驱动系统中的直流母线供电,提供电机所需的峰值功率;在电梯减速下降过程中,吸收电机通过变频器向直流母线回馈的能量。 
有轨电车领域
超级电容储能式有轨电车已逐步融入了城市文化,它已经不仅仅是一种交通工具,而是一种新的生活方式。
05军事装备领域
军用装备,尤其是野战装备,大多不能直接由公共电网供电,而需要配置发电设备及储能装置。军用装备对储能单元的要求是可靠、轻便、隐蔽性强。采用超级电容器与蓄电池混合储能,可以大幅度减轻电台等背负设备的重量;为军用运输车、坦克车、装甲车等解决车辆低温启动困难的问题,还可提升车辆的动力性和隐蔽性;解决常规潜艇中蓄电池失效快、寿命短的问题;还可以为雷达、通信及电子对抗系统等提供峰值功率,以减小主供电电源的功率等级。

超级电容器与普通电池的区别
1、超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位,且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围,如果过放可能造成永久性破坏。
2、超级电容器的荷电状态(SOC)与电压构成简单的函数,而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。
3、超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量,电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中,超级电容器是一种更好的途径。
4、超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响,相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。
5、超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。
6、超级电容器可以反复循环数十万次,而电池寿命仅几百个循环
7、超级电容器用的材料是安全的和无毒的,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军具有毒性。
8、可以在很宽的度范围内正常工作(-40至+70℃)而蓄电池很难在高特别是低环境下工作。

超级电容器与锂电池的区别
1、超级电容器(双电层)是电容器。储能少。锂电是化学电池。储能多。超级电容具有大功率密度,锂离子电池具有大能量密度。  
2、超级电容器与锂电池相同点都可以贮存能量,不同点是超级电容量瞬间充电瞬间放电。  
3、超级电容器充放电都是物理过程,锂电池是化学过程。
4、超级电容的最大优势在瞬时大电流上,而电池的优势在适当电流的持续释放上,所以二者可以互补使用,例如在电动车的使用方面最佳方案就是结合使用的,电容主要用于启动时的瞬态高流。  
5、超容的优势在于其储能过程是一个物理过程,功率密度大,电池在于其持续的放电能力,能量密度远大于超容。

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