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超级电容电池的工作原理

超级电容电池又叫黄金电容、法拉电容,是通过极化电解质来储能,属于双电层电容的一种。超级电容电池的特点是储能的过程并不发生化学反应,储能过程是可逆的,可以反复充放电数达十万次。超级电容电池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,主要在新能源汽车中有广泛使用。

超级电容电池具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。用作起重装置的电力平衡电源,可提供超大电流的电力;用作车辆启动电源,启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高,可以全部或部分替代传统的蓄电池;用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车;用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源

由于石油资源慢慢枯竭,同时燃烧石油的尾气排放对环境的污染越来越严重(尤其是在大、中城市),研究替代内燃机的新型能源装置成了亟待解决的问题。经过长时间的进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发,取得了一定的成效。但是固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等缺点,还没有更好的解决办法。而超级电容电池以其优异的特性扬长避短,可以部分或全部替代传统的化学电池代替车辆的动力电源和启动能源,其延伸用途比传统化学电池要更广泛。世界各国都不遗余力地对超级电容电池进行研究与开发。其中美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产上走在前面,而且还建立了专门的国家管理机构(如:美国的USABC、日本的SUN、俄罗斯的REVA等),制定国家发展计划,由国家投入巨资和人力,积极推进。就超级电容电池技术水平而言,目前俄罗斯走在世界前面,其产品已经进行商业化生产和应用,并被第17届国际电动车年会(EVS—17)评为最先进产品,日本、德国、法国、英国、澳大利亚等国家也在急起直追,目前各国推广应用超级电容电池的领域已相当广泛。在我国超级电容电池的使用推广,能够减少石油消耗,减轻对石油进口的依赖,有利于国家石油安全;有效地解决城市尾气污染和铅酸电池污染问题。

超级电容电池是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。化学电池中插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层,它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。

双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏器件,这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达10E6次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。

超级电容电池的容量比通常的电池容量大得多。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也称作“电容电池”或说“黄金电池”。超级电容电池也属于双电层电容器,它是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量.

传统电池电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数为ε)所隔离,电容值为:C=ε·A/3.6πd·10-6(μF)其中A为极板面积,d为介质厚度。所储存的能量为:E=C(ΔV)2/2,其中C为电容值,ΔV为极板间的电压降.可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A或减少介质厚度d,但这个伸缩空间有限,导致它的储电量和储能量较小。超级电容电池采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A),而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d),根据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,从而使单位重量的电容量可达100F/g,并且电容的内阻还能保持在很低的水平,碳材料还具有成本低,技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能,且在实际使用时,可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。

超级电容电池的优点:

(1)充电速度快,只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上;而现在使用面积最大的铅酸电池充电通常需要几个小时。

(2)循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达50万次,如果对超级电容每天充放电20次,连续使用可达68年。如果相应地和铅酸电池比较,它的使用寿命可达68年,且没有“记忆效应”。

(3)大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%;

(4)功率密度高,可达300W/kg~5000W/kg,相当于普通电池的数十倍;比能量大大提高,铅酸电池一般只能达到200W/kg,而超级电容电池目前研发已可达10KW/kg,

(5)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源;

(6)充放电线路简单,无需充电电池那样的充电电路,安全系数高,长期使用免维护;

(7)超低温特性好,使用环境温度范围宽达-40℃~+70℃;

(8)检测方便,剩余电量可直接读出;

(9)单体容量范围通常0.1F–3400F。

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