王東杰

(浙江海洋學(xué)院油氣儲(chǔ)運(yùn)系 浙江 舟山 316000)

竺哲欣

(浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系 浙江 杭州 310018)

竺江峰

(浙江海洋學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 浙江 舟山 316000)

1 引言

如果有人告訴你，印度洋上的島國(guó)馬爾代夫有一天會(huì)永遠(yuǎn)消失，你是否會(huì)相信？這并非危言聳聽(tīng).由于溫室氣體過(guò)量排放，地球氣候已經(jīng)開(kāi)始以超出2 ℃的地球生態(tài)警戒線升溫.人類渴望尋找到一種綠色環(huán)保的可再生能源來(lái)替代現(xiàn)有的污染嚴(yán)重的一次性能源，超級(jí)電容器的問(wèn)世為人類的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了福音.作為一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件——超級(jí)電容器具有超大容量、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、充放電效率高、免維護(hù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)，引起了世界廣泛的關(guān)注.美國(guó)《探索》雜志2007年1月號(hào)，將超級(jí)電容器列為2006年世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一，認(rèn)為超級(jí)電容器是能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性發(fā)展，并將在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池.

2 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能原理

2.1 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容器主要由電極、電解液、集電極、隔膜、連線極柱、密封材料和排氣閥組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.電極的材料、制造技術(shù)，電解質(zhì)的組成和隔膜質(zhì)量對(duì)超級(jí)電容器的性能有較大影響[1].超級(jí)電容器中，多孔化電極采用活性炭粉和活性炭纖維，電解液采用有機(jī)電解質(zhì)，如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨.

由圖1可見(jiàn)，其多孔化電極是使用多孔性的活性炭,有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲(chǔ)巨大的靜電能量.超級(jí)電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間的[2].

圖1 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)圖

2.2 超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理

圖2為儲(chǔ)能原理示意圖.當(dāng)外加電壓加到超級(jí)

圖2 超級(jí)電容器原理圖

電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超極電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大.

當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)(通常為3 V以下[3])；若電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài).由于隨著超級(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)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng).因此性能穩(wěn)定，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同[2].

3 超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)[4]

3.1 超高的容量

超級(jí)電容器容量范圍為0.1～6 000 F，比同體積的電解電容器容量大2 000～6 000倍.

3.2 功率密度高

超級(jí)電容器能提供瞬時(shí)的大電流，在短時(shí)間內(nèi)電流可以達(dá)到幾百甚至幾千A，其功率密度是電池的10～100倍，可達(dá)到10×103W/kg左右.

3.3 充放電效率高使用壽命長(zhǎng)

超級(jí)電容器的充放電過(guò)程通常不會(huì)對(duì)電極材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，材料的使用壽命不受循環(huán)次數(shù)的影響，充放電循環(huán)次數(shù)在105以上.

3.4 放置時(shí)間長(zhǎng)

長(zhǎng)時(shí)間放置，超級(jí)電容器的電壓會(huì)下降，再次充電可以充到原來(lái)的電位，對(duì)超級(jí)電容器的容量性能無(wú)影響.

3.5 溫度范圍寬

通常為- 40 ℃～+70 ℃.超級(jí)電容器電極材料的反應(yīng)速率受溫度影響不大.

3.6 免維護(hù)材料環(huán)保

超級(jí)電容器用的材料是安全、無(wú)毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池用的材料具有毒性.

4 超級(jí)電容器在低碳經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用

超級(jí)電容器的應(yīng)用范圍極為廣泛，小到存儲(chǔ)器的備用電源、電動(dòng)玩具的電源，大到航天導(dǎo)彈發(fā)射的大功率啟動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)汽車的能量功率系統(tǒng)等.一切與能量功率相關(guān)的儀器設(shè)備系統(tǒng)均有超級(jí)電容器的身影.

4.1 超級(jí)電容器在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

上千法級(jí)的超級(jí)電容器可用作電動(dòng)汽車的短時(shí)驅(qū)動(dòng)電源，可以在汽車啟動(dòng)和爬坡時(shí)快速提供大電流從而獲得大功率以提供強(qiáng)大的動(dòng)力；在正常行駛時(shí)由蓄電池快速充電；在剎車時(shí)快速存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流，回收能量.這可以減少電動(dòng)汽車對(duì)蓄電池大電流放電的限制，極大地延長(zhǎng)蓄電池的循環(huán)使用壽命，提高電動(dòng)汽車的實(shí)用性[5].

2007年底，日本小松叉車推出采用超級(jí)電容器與蓄電池混合動(dòng)力技術(shù)的電動(dòng)叉車.日本本田公司將雙電層電容器與汽油機(jī)相結(jié)合，研制出一種綜合電動(dòng)機(jī)助力器系統(tǒng)，使內(nèi)燃機(jī)主要工作在最佳工作點(diǎn)附近，大大降低內(nèi)燃機(jī)的排放，并可回收制動(dòng)能量；若裝在小客車上可極大地降低汽油機(jī)燃油消耗量，成為低排放的節(jié)能汽車.日本豐田公司研制的混合電動(dòng)汽車，其排放與傳統(tǒng)汽油機(jī)車相比CO2下降50%，HC、CO和氮的氧化物排放降低90%，燃油節(jié)省一半.

目前，我國(guó)采用純超級(jí)電容動(dòng)力技術(shù)的電動(dòng)汽車已投入運(yùn)行.由哈爾濱市某公司生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)電容電動(dòng)公交車在山東煙臺(tái)試運(yùn)成功.該車有充電時(shí)間短，行駛里程長(zhǎng)的特點(diǎn)，一次充電15 min便能連續(xù)行駛25 km，最高時(shí)速可達(dá)52 km，這一創(chuàng)新成果在單純以電容為能源的國(guó)際電動(dòng)車領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先.除此之外還有北京市的“前門一號(hào)”以及上海市的11路公交車，也都采用純超級(jí)電容器作為驅(qū)動(dòng)電源.純超級(jí)電容器車具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)綠色無(wú)污染，零排放；

(2)充電速度快，充放電效率高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)；

(3)剎車再生能量回收率高，真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)等.

4.2 超級(jí)電容器在風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

在風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)力與太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性，會(huì)引起蓄電池反復(fù)頻繁充電，結(jié)果大大縮短電池壽命.利用雙電層電容器吸收或補(bǔ)充電能的波動(dòng)，可以輕松解決這一問(wèn)題，從而使人類更多地利用綠色能源，促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.此外，在有瞬間強(qiáng)負(fù)載系統(tǒng)中，利用雙電層電容器可以起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，減少系統(tǒng)電源容量配制的作用.

4.3 超級(jí)電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

大容量超級(jí)電容器的另一個(gè)重要應(yīng)用在電力系統(tǒng)上，運(yùn)用超級(jí)電容器進(jìn)行重要系統(tǒng)的瞬態(tài)穩(wěn)壓穩(wěn)流，特別是在大功率系統(tǒng)上，幾乎是不可替代的器件[6].在這方面，據(jù)華北電力大學(xué)電能質(zhì)量研究所的調(diào)查，在眾多大型石化、電子、紡織等企業(yè)，各企業(yè)每年因電力波動(dòng)的損失高達(dá)上千萬(wàn)元人民幣；另外，芯片企業(yè)在選址時(shí)考慮電力的波動(dòng)也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，而超級(jí)電容器系統(tǒng)則可以完全解決這個(gè)問(wèn)題.

4.4 超級(jí)電容器在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，超級(jí)電容器在短時(shí)UPS系統(tǒng)、汽車防盜系統(tǒng)、汽車音響系統(tǒng)、免維護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域均具有非常廣泛的應(yīng)用.由于超級(jí)電容器儲(chǔ)能高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕，還可用做存儲(chǔ)器、微型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)主板和鐘表等的備用電源.

5 超級(jí)電容器的前景

超級(jí)電容器技術(shù)是一項(xiàng)意義相當(dāng)重大的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)一旦進(jìn)入成熟的工業(yè)生產(chǎn)，將替代包括從電動(dòng)汽車到筆記本電腦的一切電化學(xué)電池.按照2006年4月發(fā)表的專利，EEStor公司發(fā)明的能量存儲(chǔ)裝置是用陶瓷粉末涂在鋁氧化物和玻璃的表面.從技術(shù)上說(shuō)，它并不是電池而是一種超級(jí)電容器，它在5 min內(nèi)充的電能可以讓一個(gè)電動(dòng)車走500 mile，電費(fèi)只有9美元.而燒汽油的內(nèi)燃機(jī)車走相同里程則要花費(fèi)60美元.

與傳統(tǒng)的電化學(xué)電池相比，超級(jí)電容器有很多優(yōu)點(diǎn).它可以無(wú)限制地接受無(wú)數(shù)次放電和充電，超級(jí)電容器沒(méi)有“記憶”.由EEStor公司開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容器，由于鋇鈦酸鹽有足夠的純度，存儲(chǔ)能量的能力大大提高.該超級(jí)電容器的能量密度可達(dá)0.28×103W·h/kg；而鋰電池是0.12×103W·h/kg，鉛酸電池只有0.032×103W·h/kg.這就讓超級(jí)電容器有了可用在從電動(dòng)車、起搏器到現(xiàn)代化武器等多種領(lǐng)域的可能.好的鉛酸電池能充電500～700次，而新的超級(jí)電容器可反復(fù)充電100萬(wàn)次以上也不會(huì)出現(xiàn)材料降解問(wèn)題.而且，由于它不是化學(xué)電池，而是一種固體狀態(tài)的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，不會(huì)出現(xiàn)鋰電池那種過(guò)熱甚至爆炸的危險(xiǎn)，沒(méi)有安全隱患.

超級(jí)電容器的發(fā)明不僅從根本上改變了電動(dòng)汽車在交通運(yùn)輸中的位置，也將改進(jìn)諸如風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇式能源的利用性能，增進(jìn)了電網(wǎng)的效率和穩(wěn)定性，滿足人們能源安全的需求，減少對(duì)石油的依賴.顯然，該突破也對(duì)下一代鋰電池的研制者造成威脅.

我們可以設(shè)想一下：如果世界上所有的汽車都是用超級(jí)電容器來(lái)驅(qū)動(dòng)的話，那么“低碳時(shí)代”還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

6 結(jié)束語(yǔ)

超級(jí)電容器是20世紀(jì)70、80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型儲(chǔ)能器件.在20世紀(jì)80年代初我國(guó)學(xué)者就注意到了雙電層電容器的研究[7]，但國(guó)內(nèi)對(duì)超級(jí)電容器的研究始于90年代后期.盡管國(guó)內(nèi)在超級(jí)電容器領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)的起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭不容忽視.

說(shuō)起綠色能源，人們通常想到的是太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能、氫能等等.不過(guò)，從技術(shù)角度和人類長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展來(lái)看，超級(jí)電容器才是21世紀(jì)低碳經(jīng)濟(jì)中最理想的儲(chǔ)能再生動(dòng)力電源.超級(jí)電容器技術(shù)也不愧是低碳經(jīng)濟(jì)中的黃金技術(shù).

參考文獻(xiàn)

1 儲(chǔ)軍，陳杰，李忠學(xué). 電動(dòng)車用超級(jí)電容器充放電性能的實(shí)驗(yàn)研究. 機(jī)械，2004，31(3)：20～22

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3 M．Endo, T．Takeda, Y．J．Kim, et at． High Power Electric DoubleLayer Capacitor(EDLC′s) ； from Operating Principle to Pore SizeControl in Advanced Activated Carbons． Carbon Science，2001，1(3&4)：117～128

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5 Mike D著. 張魯濱譯.超級(jí)電容器應(yīng)用于汽車的優(yōu)勢(shì)及前景 . 汽車維修與保養(yǎng), 2004(5): 53～55

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7 董恩沛. 雙電層電容器.電子科學(xué)技術(shù),1981(8): 19～21