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超級電容電池的工作原理

超級電容電池又叫黃金電容、法拉電容,是通過極化電解質來儲能,屬于雙電層電容的一種。超級電容電池的特點是儲能的過程并不發生化學反應,儲能過程是可逆的,可以反復充放電數達十萬次。超級電容電池一般使用活性碳電極材料,具有吸附面積大,靜電儲存多的特點,主要在新能源汽車中有廣泛使用。

超級電容電池具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。用作起重裝置的電力平衡電源,可提供超大電流的電力;用作車輛啟動電源,啟動效率和可靠性都比傳統的蓄電池高,可以全部或部分替代傳統的蓄電池;用作車輛的牽引能源可以生產電動汽車、替代傳統的內燃機、改造現有的無軌電車;用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等戰車的順利啟動(尤其是在寒冷的冬季)、作為激光武器的脈沖能源。此外還可用于其他機電設備的儲能能源

由于石油資源慢慢枯竭,同時燃燒石油的尾氣排放對環境的污染越來越嚴重(尤其是在大、中城市),研究替代內燃機的新型能源裝置成了亟待解決的問題。經過長時間的進行混合動力、燃料電池、化學電池產品及應用的研究與開發,取得了一定的成效。但是固有的使用壽命短、溫度特性差、化學電池污染環境、系統復雜、造價高昂等缺點,還沒有更好的解決辦法。而超級電容電池以其優異的特性揚長避短,可以部分或全部替代傳統的化學電池代替車輛的動力電源和啟動能源,其延伸用途比傳統化學電池要更廣泛。世界各國都不遺余力地對超級電容電池進行研究與開發。其中美國、日本和俄羅斯等國家不僅在研發生產上走在前面,而且還建立了專門的國家管理機構(如:美國的USABC、日本的SUN、俄羅斯的REVA等),制定國家發展計劃,由國家投入巨資和人力,積極推進。就超級電容電池技術水平而言,目前俄羅斯走在世界前面,其產品已經進行商業化生產和應用,并被第17屆國際電動車年會(EVS—17)評為最先進產品,日本、德國、法國、英國、澳大利亞等國家也在急起直追,目前各國推廣應用超級電容電池的領域已相當廣泛。在我國超級電容電池的使用推廣,能夠減少石油消耗,減輕對石油進口的依賴,有利于國家石油安全;有效地解決城市尾氣污染和鉛酸電池污染問題。

超級電容電池是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。化學電池中插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷,從而使相間產生電位差。那么,如果在電解液中同時插入兩個電極,并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓,這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動,并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層,即雙電層,它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似,從而產生電容效應,緊密的雙電層近似于平板電容器,但是,由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多,因而具有比普通電容器更大的容量。

雙電層電容器與鋁電解電容器相比內阻較大,因此,可在無負載電阻情況下直接充電,如果出現過電壓充電的情況,雙電層電容器將會開路而不致損壞器件,這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時,雙電層電容器與可充電電池相比,可進行不限流充電,且充電次數可達10E6次以上,因此雙電層電容不但具有電容的特性,同時也具有電池特性,是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。

超級電容電池的容量比通常的電池容量大得多。由于其容量很大,對外表現和電池相同,因此也稱作“電容電池”或說“黃金電池”。超級電容電池也屬于雙電層電容器,它是目前世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種,其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量.

傳統電池電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離,兩塊極板之間為真空(相對介電常數為1)或一層介電物質(相對介電常數為ε)所隔離,電容值為:C=ε·A/3.6πd·10-6(μF)其中A為極板面積,d為介質厚度。所儲存的能量為:E=C(ΔV)2/2,其中C為電容值,ΔV為極板間的電壓降.可見,若想獲得較大的電容量,儲存更多的能量,必須增大面積A或減少介質厚度d,但這個伸縮空間有限,導致它的儲電量和儲能量較小。超級電容電池采用活性炭材料制作成多孔電極,同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液,當在兩端施加電壓時,相對的多孔電極上分別聚集正負電子,而電解質溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上,從而形成兩個集電層,相當于兩個電容器串聯,由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(即獲得了極小的介質厚度d),根據前面的計算公式可以看出,這種雙電層電容器比傳統的物理電容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,從而使單位重量的電容量可達100F/g,并且電容的內阻還能保持在很低的水平,碳材料還具有成本低,技術成熟等優點。從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能,且在實際使用時,可以通過串聯或者并聯以提高輸出電壓或電流。

超級電容電池的優點:

(1)充電速度快,只要充電幾十秒到幾分鐘就可達到其額定容量的95%以上;而現在使用面積最大的鉛酸電池充電通常需要幾個小時。

(2)循環使用壽命長,深度充放電循環使用次數可達50萬次,如果對超級電容每天充放電20次,連續使用可達68年。如果相應地和鉛酸電池比較,它的使用壽命可達68年,且沒有“記憶效應”。

(3)大電流放電能力超強,能量轉換效率高,過程損失小,大電流能量循環效率≥90%;

(4)功率密度高,可達300W/kg~5000W/kg,相當于普通電池的數十倍;比能量大大提高,鉛酸電池一般只能達到200W/kg,而超級電容電池目前研發已可達10KW/kg,

(5)產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染,是理想的綠色環保電源;

(6)充放電線路簡單,無需充電電池那樣的充電電路,安全系數高,長期使用免維護;

(7)超低溫特性好,使用環境溫度范圍寬達-40℃~+70℃;

(8)檢測方便,剩余電量可直接讀出;

(9)單體容量范圍通常0.1F–3400F。

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