超级电容能不能治好你的“能源焦虑症”?

winniewei 提交于 周五, 09/22/2017
超级电容能不能治好你的“能源焦虑症”?

对于电子产品我们大都患有“能源焦虑症”,所以,除了压榨电源管理达到极限以外,寻找更强大的“电源”就成了“永恒”的追求。锂离子电池可以说是当今人们能够找到的最理想的商用储能技术,但仍谈不上完美,特别是在安全性方面,需要人们花费很多精力去小心伺候。所以,寻找锂离子电池替代技术的努力也一直没有停止。超级电容,可以称得上是一位实力候选者。

与传统的电容相比,超级电容的结构比较特殊,可以将其简单地理解为在电解质中加入的两个多孔电极板,在电极板上加电,电解质中相反极性的离子就会在电极附近形成两个容性存储层,以达到储能的目的。超级电容储能容量的大小,与电极的平面面积正相关,由于超级电容电极表面多采用多孔炭材料,所以有效的面积很大(可达2000 m2/g),储存能量的能力(静电容量)远远大于传统的电容器, 且具有非常小的电荷分离距离,这也是其“超级”二字的意义所在。

这样特殊的架构,也决定了超级电容和其他储能技术相比,拥有诸多优势,比如:

  • 容量远超传统电容,范围可达0.1F至1000F,甚至上万F;

  • 极快的充电速度,通常充电10秒至10分钟可达到其额定容量的95%以上;

  • 循环使用寿命长,充放电循环使用次数最高可达50万次,且没有“记忆效应”;

  • 功率密度高,可达300W/KG~5000W/KG,相当于电池的5~10倍;

  • 大电流放电能力超强,能量转换效率高;

  • 安全可靠;充放电电路简单,无需特殊的保护电路;

  • 低温特性好,温度范围宽达-40℃~+70℃;

  • 环保,产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染。

表1,超级电容与电池的性能比较

 表1,超级电容与电池的性能比较

正是由于认识到超级电容的这些价值,近年来它的应用也日渐趋热。根据IDTechEX的调研数据,2014年全球超级电容器全球市场规模为11亿美元,到2018年市场规模将达到32亿美元,年复合增长率为31%。有数据显示,中国超级电容市场规模也将从2016年的30亿元增长到2020年的60亿元,实现翻番。

所以遇到“治愈系”系的超级电池,对于那些患有能源“焦虑症”的市场,真的算得上是个福音。

汽车和交通运输将是超级电容的第一大应用市场。如在混合动力汽车中,利用超级电容快速充放电的特性,可以和电池配合形成智能启停控制系统——超级电容可迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能完成充电,而在加速和爬坡时放电,为智能启停控制系统电机提供电能,延长电池的使用寿命。类似的思路用在火车和地铁的刹车制动系统上,预计可以节省30%的能量。与此同时,完全由超级电容构成的动力系统,也有望在新型城市公共交通中发挥作用——超级电容无轨电车可利用乘客上下车的时间,在30秒内完成充电并行驶5公里以上,无需复杂的供电线路布设,全程零排放。超级电容电车目前已经有很多城市付诸实用。

图1,在奥地利格拉兹市运营的中国产超级电容电车(图片来源:国际在线)

图1,在奥地利格拉兹市运营的中国产超级电容电车(图片来源:国际在线)

能源电力是超级电容另一个市场发力点。后备电源是超级电容一个典型的应用场景,它可以在线路失电时,为开关设备提供可靠的电源支持。另外在新能源微电网储能系统中,超级电容可以在低负荷时储存电能,而在高负荷时输出电能,满足微电网用电需求,提高电网的稳定性。此外,超级电容在风力发电中还有一个典型应用,就是为变桨系统提供所需的驱动电力或后备电力,使得在电力供应停止的时候把桨叶的方向转到安全位置上,由于超级电容循环使用寿命长,用它替代以往使用的电池可大大降低风力发电系统维护成本。

在工业领域超级电池同样可以施展拳脚。比如大型工程机械、电梯等,由于使用时启动、停止操作频繁,以往有1/3的电能都以热量形式耗散掉了,使用超级电容与电池组成的混合动力系统,可以对机械制动的能量进行回收和利用,达到节能的目的。

此外,在新兴的物联网领域,从环境中收集能量作为边缘端设备的电源,已经成为重要的考虑。超级电池寿命长、可靠性高、无需额外保护电路等特性,使其有望成为能量收集的储能设备,无论是单独使用,还是和电池系统搭配使用,都能发挥重要作用。超级电容也在不断改变自己的形态去适应的多样化市场的要求,比如有报道称,中科院就正在研发一种柔性、超薄、轻量化的皮肤型超级电容能量存储装置,为可穿戴设备提供电能,其比电容为56F/g,能量密度为6.0 Wh/kg,功率密度为332kW/kg。

和锂离子电池等成熟技术相比,超级电容的商用化进程才刚刚起步,在能量密度等方面与电池相比也还有很大差距。不过随着石墨烯等新材料的应用,以及商用超级电容产品的不断进化,它终究会成为能源“焦虑症”的一颗定心丸。

图2,KEMET公司制造的表面贴装式超级电容,已经有很多成功的商用案例

图2,KEMET公司制造的表面贴装式超级电容,已经有很多成功的商用案例

图3,AVX公司的SCM系列超级电容,具有高容值和低ESR特点,具有出色的脉冲功率特性,无论是单独使用还是和电池配合使用,都能够有效延长系统待机时间和电池寿命,提供所需的瞬时功率脉冲,是手持设备、能量收集和脉冲功率应用中出色的能源解决方案。

图3,AVX公司的SCM系列超级电容,具有高容值和低ESR特点,具有出色的脉冲功率特性,无论是单独使用还是和电池配合使用,都能够有效延长系统待机时间和电池寿命,提供所需的瞬时功率脉冲,是手持设备、能量收集和脉冲功率应用中出色的能源解决方案。

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