李俊赤

（廣東聯(lián)盈控電子科技公司，廣東 東莞 523000）

0 前言

超級(jí)電容器是一種利用雙電層原理的電容器，電容量極大；具有高功率密度的特性，具有常規(guī)電池10倍左右的功率密度，通常可以與電池配合補(bǔ)償電池的功率密度不足的問題。

雙電層超級(jí)電容器（以下稱為超級(jí)電容器）小功率應(yīng)用：小功率應(yīng)用中的超級(jí)電容器一般為10F以下，對(duì)應(yīng)用于如智能電表、智能水表、智能燃?xì)獗淼龋涮卣鳛樘峁┒虝r(shí)脈沖功率，如電磁閥、無(wú)線抄表等功能的額脈沖功率提供。也可以應(yīng)用于其他小功率短時(shí)脈沖電能提供，以解決小型電池對(duì)短時(shí)脈沖功率不足的需求[1]。

超級(jí)電容器中等功率應(yīng)用：10～500F超級(jí)電容器可用于如風(fēng)電變槳電源、汽車啟動(dòng)輔助電源、變電所操作電源等。

超級(jí)電容器大功率應(yīng)用：500F以上的超級(jí)電容器可以用于電動(dòng)公交車，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)完成充電的特點(diǎn)。

超級(jí)電容器通常采用乙氰為電解液的溶劑，揮發(fā)性高于甲醇。因此超級(jí)電容器的高溫壽命大多在65℃/1000～1500h，常溫壽命可以達(dá)到10年，或完全充放電100萬(wàn)次，最大能量密度為6Wh/kg。

1 超級(jí)電容器應(yīng)用中的問題

1.1 壽命與可靠性問題

高溫壽命短是超級(jí)電容器的最大弱點(diǎn)，在50℃環(huán)境溫度下的實(shí)際壽命約一個(gè)暑期，而不是十年，很多應(yīng)用證明了這個(gè)問題。

很多應(yīng)用中希望超級(jí)電容器具有強(qiáng)放電能力，高放電電流。但是經(jīng)濟(jì)型超級(jí)電容器采用電解電容引線方式，如圖1所示。

圖1 電解電容器電極引出方式

如導(dǎo)針的引線方式，由于導(dǎo)針與鋁箔之間電接觸的鉚花在超級(jí)電容器需要承擔(dān)全部電流，由于電解電容器應(yīng)用特性決定了電解電容器所流過的紋波電流相對(duì)較小，一般小于5A[2]。而超級(jí)電容器則需要短時(shí)輸出10A甚至更高的峰值電流，這時(shí)鋁箔與鉚花之間的接觸電阻將影響所承受的電流能力將制約超級(jí)電容器的可靠性；插腳式電解電容器采用導(dǎo)流條與鋁箔鉚接形式，通常每個(gè)電極采用兩個(gè)導(dǎo)流條。可以承受約10A的紋波電流。采用插腳式封裝的超級(jí)電容器通常在100F以上，應(yīng)用希望可以提供峰值電流達(dá)100A甚至更高。對(duì)于導(dǎo)流條以及導(dǎo)流條與鋁箔間的鉚花將承受遠(yuǎn)高于電解電容器的峰值電流，與導(dǎo)針式超級(jí)電容器一樣，存在著導(dǎo)流條、鉚花的電流承受能力制約超級(jí)電容器可靠性的問題。

導(dǎo)針或插腳式封裝形式的電極不僅完成電極引出功能，還要完成對(duì)超級(jí)電容器固定功能。由于導(dǎo)針或插腳所實(shí)現(xiàn)的機(jī)械固定，在遭受震動(dòng)或承受外界機(jī)械應(yīng)力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)針與膠塞之間的密封性變差，對(duì)于應(yīng)用乙二醇作為電解液溶劑的電解電容器來(lái)說，受外力后的密封性是沒有問題，但是對(duì)于應(yīng)用乙氰作為電解液溶劑的超級(jí)電容器就顯得密封性變差，因此常見在超級(jí)電容器電極受到外力沖擊后而導(dǎo)致漏液現(xiàn)象導(dǎo)致超級(jí)電容器早期失效。

因此，對(duì)于大電容量（500F以上）的超級(jí)電容器對(duì)采用MAXWELL的鋁箔邊緣引出電極方式[3]。以解決鉚花等帶來(lái)的接觸電阻大和電流承受問題。同時(shí)，超級(jí)電容器的機(jī)械固定不再采用電極，固定超級(jí)電容器的不再是機(jī)械強(qiáng)度差的導(dǎo)針和插腳，如圖2所示。

圖2 MAX WELL的超級(jí)電容器

1.2 自放電相對(duì)比較大

相對(duì)電池，超級(jí)電容器的自放電比較大，以600F超級(jí)電容器為例，數(shù)據(jù)表標(biāo)注為3mA，實(shí)際可以達(dá)到1mA，從額定電壓2.7V放電到1.35V的時(shí)間為225h，不到10天?？梢哉J(rèn)為有效電荷維持時(shí)間2～3天，不適于長(zhǎng)期電荷存儲(chǔ)。如圖3。

圖3 超級(jí)電容器自放電特性

圖中表明超級(jí)電容器自放電為每12小時(shí)降低0.1V。這個(gè)典型值比實(shí)際的大一些，但基本相符。

而鋰電池的電荷維持能力可以是0.5%/月，自放電極小。

1.3 放電過程端電壓變化大

超級(jí)電容器放電特性為電容器特性，在放電過程中為線性下降特性，如圖4。與電池的接近平直特性相比，電壓變化范圍過大，后級(jí)的功率變換器需要適應(yīng)寬電壓范圍，或者加一級(jí)DC/DC變換器穩(wěn)定電壓。

圖4 超級(jí)電容器與電池放電特性

超級(jí)電容器與電池匹配使用時(shí)需要將在超級(jí)電容器與電池之間加DC/DC變換器來(lái)保證兩者的電壓匹配。

1.4 1～60s是超級(jí)電容器的應(yīng)用范圍

超級(jí)電容器的性能決定了其優(yōu)勢(shì)應(yīng)用范圍，即1～60s放電時(shí)間。短于1s電解電容器具有優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)于60s則電池具有優(yōu)勢(shì)。圖5為5000F超級(jí)電容器的放電特性。

圖5 5000F 超級(jí)電容器放電特性

在實(shí)際應(yīng)用中超級(jí)電容器放電一般僅能釋放到儲(chǔ)能的一半。對(duì)應(yīng)圖中的完全釋放電荷的時(shí)間隨之減少70%。

5000F超級(jí)電容器重量為850克。相同的850克重量的動(dòng)力鋰電池約100Wh，對(duì)應(yīng)約30Ah，按功率型在短時(shí)放電能力5C計(jì)算，30Ah功率型動(dòng)力鋰電池可以釋放150A峰值電流，接近于同等重量的超級(jí)電容器短時(shí)放電能力，同時(shí)具有更好的放電時(shí)電壓的平穩(wěn)性。

相對(duì)于鈦酸鋰電池，850克約70Wh，對(duì)應(yīng)約30Ah，持續(xù)放電能力可以持續(xù)150A放電不影響電池壽命，甚至可以900A的汽車起動(dòng)電流沖擊。超過超級(jí)電容器的放電能力[4]。

1.5 超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

相對(duì)于電池，超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)高的功率密度和良好的低溫特性。

傳統(tǒng)電池（干電池、蓄電池）在低溫環(huán)境溫度（如–20℃以下）條件下將嚴(yán)重丟失電能，甚至無(wú)法應(yīng)用。這是電池的最大弱點(diǎn)之一，也是超級(jí)電容器可以發(fā)揮隨著電池技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用特性的原因。

隨著低溫型動(dòng)力鋰電池以及鈦酸鋰電池的問世，超級(jí)電容器的低溫優(yōu)勢(shì)不再。

超級(jí)電容器能量密度過低導(dǎo)致體積相對(duì)電池、鋰離子超級(jí)電容器龐大、笨重，在電動(dòng)公交車應(yīng)用中占有重量過大。

1.6 性價(jià)比處于劣勢(shì)

盡管超級(jí)電容器的價(jià)格不斷下降，基本觸底。大電容量超級(jí)電容器的單位價(jià)格約為35元/Wh，而動(dòng)力鋰電池的價(jià)格約1.5元/Wh，單位能量?jī)r(jià)格是動(dòng)力鋰電池的23倍之多，動(dòng)力鈦酸鋰電池單位價(jià)格約為5～6元/Wh，超級(jí)電容器單價(jià)是鈦酸鋰電池的6～7倍。

除非低溫，除非高放電倍率，超級(jí)電容器與鋰電池相比，毫無(wú)優(yōu)勢(shì)可言。

近年來(lái)高放電倍率，耐低溫的鈦酸鋰電池的開始應(yīng)用，超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)蕩然無(wú)存。

2 超級(jí)電容器與鋰電池性能對(duì)比

2.1 能量密度

我國(guó)動(dòng)力鋰電池能量密度接近240Wh/kg，而超級(jí)電容器能量密度為6Wh/kg，相差40倍。即使是實(shí)用化的動(dòng)力鋰電池的能量密度一般也達(dá)到150Wh/kg。低溫型（可在–30℃工作不影響性能）為110Wh/kg。分別為超級(jí)電容器的25倍和18倍。

實(shí)用化的鈦酸鋰電池能量密度在85～90Wh/kg，是超級(jí)電容器的14～15倍。

如果僅僅是能量密度，沒有充放電承受能力和最低工作溫度性能，這些高性能也會(huì)被低溫和高倍率充放電要求所拋棄。

2.2 低溫特性

超級(jí)電容器最低工作溫度–40℃，動(dòng)力鋰電池為–15℃，低溫型動(dòng)力鋰電池為–30℃，鈦酸鋰電池?fù)?jù)稱–50℃。

2.3 放電能力與充電承受能力

超級(jí)電容器可以在5s內(nèi)全部釋放電荷，充電一般需要30s充滿，可以在10s內(nèi)充電到80%。

能量型動(dòng)力鋰電池的充電一般限制在0.3～1C，放電限制在1～3C；功率型動(dòng)力鋰電池的充電一般限制在1～2C，可以在15min內(nèi)充電80%；

在快充狀態(tài)下，動(dòng)力鋰電池組溫度可以限制在42℃（滿足Ip67的液冷方式）。

鈦酸鋰電池?fù)?jù)稱可以以5～10C倍率充放電，甚至30C倍率以上短時(shí)放電。

2.4 綜合性能對(duì)比

超級(jí)電容器，動(dòng)力鋰電池，鈦酸鋰電池綜合性能對(duì)比如表1。

表1 綜合性能對(duì)比

從表中可以看到，在常溫狀態(tài)下，超級(jí)電容器在綜合性能上毫無(wú)優(yōu)勢(shì)可言（30秒以內(nèi)的短時(shí)脈沖電流除外）；最低環(huán)境溫度在不低于–30℃狀態(tài)下，低溫型動(dòng)力鋰電池綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于超級(jí)電容器；環(huán)境溫度低于–30℃條件下，鈦酸鋰電池性能遠(yuǎn)優(yōu)于超級(jí)電容器。

放電時(shí)間超過1min，超級(jí)電容器由于存儲(chǔ)電荷所限，其放電能力不如鈦酸鋰電池甚至不如功率型動(dòng)力鋰電池。

3 超級(jí)電容器越界應(yīng)用

超級(jí)電容器適用的工作范圍是放電時(shí)間1～60s，超過1min，超級(jí)電容器的強(qiáng)放電能力急劇下降。

所謂越界應(yīng)用是指超級(jí)電容器作為長(zhǎng)時(shí)間（大于60s）放電應(yīng)用。這樣對(duì)應(yīng)的放電電流將大大減小甚至比電池放電電流還低，失去了超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)。

最典型的應(yīng)用就是“站站”充電的公交車，其優(yōu)勢(shì)是可以利用公交車停站的短時(shí)間內(nèi)對(duì)超級(jí)電容器充電，這是電池?zé)o法做到的[5]。

需要注意的是，長(zhǎng)時(shí)間的超級(jí)電容器放電受電荷限制，放電電流隨時(shí)間的延長(zhǎng)變得很低。由圖5，5000F超級(jí)電容器的60s有效放電，只能為67A，僅相當(dāng)于相同重量的動(dòng)力鋰電池的2C放電倍率。如果是600s放電則僅僅能輸出不到7A電流，遠(yuǎn)低于相同瓦時(shí)動(dòng)力鋰電池的放電能力。

隨著鈦酸鋰電池在公交車上應(yīng)用，完全可以采用終點(diǎn)交接車過程的5～10min充電方式將電池充滿電。完全替代超級(jí)電容器站站充電方式，簡(jiǎn)化車站建設(shè)投資。

甚至可以采用功率型動(dòng)力鋰電池，在15min內(nèi)充電80%。

在低溫狀態(tài)下，低溫型動(dòng)力鋰電池可以在–30℃環(huán)境溫度下正常工作。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著低自放電、高放電倍率鈦酸鋰電池越來(lái)越多的應(yīng)用，由于電壓等級(jí)完全兼容，越來(lái)越多的超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域被直接替代，從智能電表、水表、燃?xì)獗淼诫妱?dòng)汽車。由于低溫型動(dòng)力鋰電池解決了低溫運(yùn)行問題以及鈦酸鋰電池的優(yōu)異低溫特性，使得超級(jí)電容器特性不再具有優(yōu)勢(shì)。功率型動(dòng)力鋰電池和鈦酸鋰電池的允許快充特性和高倍率放電特性，令超級(jí)電容器在新能源領(lǐng)域基本沒有優(yōu)勢(shì)。綜上所述，超級(jí)電容器基本完成了歷史使命并將退出歷史舞臺(tái)。