超级电容器.docx

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超级电容器

21世纪的新电池

（2）——超级电容，飞轮电池，超导电池

超级电容

随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件因为其无可替代的优越性，受到广大科研工作者的重视。

众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，而超级电容器的电荷储存发生在电极\电解质的形成的双电层上以及在电极表面进行欠电位沉积、电化学吸附、脱附和氧化还原产生的电荷的迁移。

与传统的电容器和二次电池相比，超级电容器的比功率是电池的10倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长、使用的温限范围宽等特点，是本世纪最具有希望的一种新型绿色能源。

表一三种储能器件的比较

                                普通电容器        超级电容器        二次电池  

功率密度（wh/kg）  104～106      102～104      ＜500  

能量密度（w/kg）          ＜0.2              0.2～20.0      20～200  

循环寿命                     ＞105            ＞105             ＜103  

充电时间                   10-3～10-6s   0.3～30s     1～5h  

放电时间                   10-3～10-6s   0.3～30s      0.3～3h  

充放电效率                  ＞95%            85%～98%   70%～85%  

超级电容器具有广泛的用途。

它与蓄电池组成的混合动力系统可用来满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功率要求，以保护蓄电池系统，并且在汽车紧急刹车是可以瞬间回收能量，从而减少能源浪费，节省能源。

超级电容器也用于其它系统中，如用作燃料电池的启动动力、作移动通讯和计算机的备用电源等。

根据储能机理,可以将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。

双电层电容器是建立在双电层理论基础上。

充电时，电解质发生离解，阴阳离子分别向着正负极运动并吸附在电极表面，形成双电层，电荷储存在双电层中。

放电时，电子通过外负载运动到正极，与正极的阳离子发生了电中和，同时电极表面的阴阳离子发生了解吸，重新回到电解质主体中。

法拉第准电容在法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生。

H或一些碱金属（Pb，Bi，Cu）在Pt或Au上发生单层欠电势沉积或多孔过渡金属氧化物（如RuO2、IrO2）发生氧化还原反应时，电荷发生了迁移和存储。

法拉第准电容不仅发生在电极表面，而且可深入电极内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。

一个完整的超级电容器包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。

其中，电极材料的研究是目前的研究的热点。

目前研究的超级电容器的电极材料主要在四个方面：

碳电极材料，金属氧化物及其水合物电极材料，导电聚合物电极材料，以及混合超级电容器。

碳电极材料比表面极大，原料低廉，有利于实现工业化大生产，但是比容量相对比较低。

金属氧化物及其水合物电极材料的比容量较高，但是其昂贵的成本以及对环境存在的安全隐患限制了它们的工业化规模。

导电聚合物电极材料的工作电压高，从而可以提高能量存储的能力。

但是，这一类材料在有机电解质中浸泡后容易发生膨胀，造成稳定性差。

混合超级电容，对电极采用不同的材料体系组成，可以提高其存储的能量密度，但是其循环的稳定性比较差。

电解质需要具有很高的导电性和足够的电化学稳定性，以便超级电容器可以在尽可能高的电压下工作。

现有的电解质材料主要由固体电解质、有机物电解质和水溶液电解质。

有机物电解质的分解电压高，一般都高于2.5V，但导电性比较差；水溶液电解质主要是KOH和H2SO4，它们的分解电压受到水的分解电位的限制，只有1.23V，但是其导电性是有机电解质的4倍以上。

隔膜的适当使用也是十分关键的。

有机电解质通常使用聚合物（特别是PP）或者纸作为隔膜，水溶液电解质，可以采用玻璃纤维或者陶瓷隔膜。

隔膜允许带电离子通过，阻止电子通过。

集流体则通常是选用导电性能良好的金属和石墨等来充当。

一个性能良好的超级电容器，需要以上的四个部件达到最佳优化。

电解质和隔膜的离子电导高、隔膜具有高的电子隔离阻力，电极电子电导高、比表面积大，隔膜和电极尽量薄。

其中，电极材料和电解质的选择对电容量影响最大。

超级电容器由于具有其他储能器件所不可比拟的优越性，因而具有广泛的应用领域。

通用汽车公司采用超级电容器组成并联电源系统和串联电源系统用在货车和汽车上。

与相应的蓄电池组比起来，超级电容器贮能装置重量只有前者的1/3，体积只有前者的一半。

将蓄电池与超级电容器组合起来，它们的优点可以互补，成为一个极佳的贮能系统，它在大电流以及高低温条件下工作，都会有很长的寿命。

由于它具有由于它具有快速充电的特性，对于像电动工具和玩具这种需要快速充电的设备来说，超级电容器无疑也是一个很理想的电源。

现有超级电容器产品，它不仅已经用作光电功能电子手表和计算机存贮器等小型装置的电源，而且还可用于固定电站。

现有的UPS系统大多使用铅蓄电池作为应急电源。

在频繁停电情况下使用，会因长期充电不足而使电池硫酸盐化，从而缩短使用寿命。

而超级电容器，由于可以在数分钟之内充足电，就完全不会受到频繁停电的影响。

另外，在某些特殊情况下，超级电容器的高功率密度输出特性，会使它成为很好的应急电源。

美国军方对超级电容器用于重型卡车、装甲运兵车以及坦克很感兴趣。

Maxwell公司正在向oshkosh汽车公司提供PowerCache超级电容器，为美国军方制造HEMTTLMS概念车，所用的动力就是该公司生产的ProNlse混合电力推进系统。

超极电容器以其足够的优势在现有的储能器件中占有重要的地位。

目前，关于超极电容器电极材料的研究也正方兴未艾。

如何制备一种综合性能优异的电极材料，在全世界范围都是一个新课题，对于该课题的研究具有广泛的实用性和创新性。

超级电容的特性

一、超级电容器特性：

  a.体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大30~40倍；

  b.充电速度快，10秒内达到额定容量的95%；

  c.充放电能力强；

  d.失效开路，过电压不击穿，安全可靠；

  e.超长寿命，可长达40万小时以上；

  f.充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真正免维护；

  g.电压类型：

2.7v---12.0v

  h.容量范围：

0.1F--1000F

二、超级电容与电池比较，有如下特性：

  a.超低串联等效电阻（LOWESR），功率密度（PowerDensity）是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）。

  b.超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。

  c.可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应。

  d.免维护，可密封。

  e.温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃。

另一篇有关超级电容的文章

超级电容器（supercapacitor），又叫双电层电容器（ElectricalDoule-LayerCapacitor）、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。

它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容器向快速充电与大功率发展

充电1分钟即可驱动小型笔记本电脑运行近1个半小时--在2004年10月于幕张MESSE举行的IT博览会“CEATECJAPAN”上，这种快速充电的演示成了人们关心的话题。

一般笔记本电脑的充电电池要充满电至少需要1个小时。

但“双电层电容器”却大幅缩短了这一时间。

超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。

超级电容器也可以分为两类：

（1）以活性炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，通常被称作双电层电容器（DLC）;

（2）以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器。

作为一种新型储能元件，电化学电容器的电容量可高达法拉级甚至上万法拉，能够实现快速充放电和大电流发电，并比蓄电池具有更高的功率密度（可达1,000W/kg数量级）、和更长的循环使用寿命（充放电次数可达10万次），同时可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。

这些特点使得电化学电容器在电动汽车、通讯、消费和娱乐电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。

有业内专家预测，仅就中国市场而言，目前的年需求量可达2,150万只，而整个亚太地区的总需求量则超过9,000万只。

美国市场研究公司Frost&Sullivan不久前发布的一份报告也预计，2002年到2009年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入这两项数据将分别以157%和49%的年复合增长率保持高速增长。

超级电容半永久性使用无需更换

传统的充电电池由于通过电解液与电极之间发生的化学反应来产生电力，因此充电时需要花费一定的时间。

经过多次充电和放电后，电解液逐渐分解、材料变质，性能也随之下降，用上几年后大都需要更换。

与此相比，电容器不产生化学反应，可以直接将电力贮存起来。

不仅充电所需的时间非常短，还能在瞬间释放出大量电流，输出功率很大。

由于充电和放电可反复进行数十万次以上，所以基本上无需更换，可以半永久性地使用。

但原有的电容器存在能量密度低的缺点，如果电流强的话不能长时间保持。

因此，像原来钮扣型电容器那样的小型产品，只能作为电子设备内存等部件的备用电源来使用。

近年来，能量密度得到提高的大容量电容器相继问世，但尺寸也随之增大。

因此应用范围被局限于混合动力卡车等对尺寸要求不太严格的产品。

前面提到的演示活动使用的电容器就属于这一类，长宽都是20cm，厚度在5cm左右。

从近来的发展趋势来看，电容器电池大幅度减小尺寸已经指日可待。

因为能量密度可望提高到与镍氢充电电池相当的水平。

干电池大小的镍氢电池产品已经得到广泛普及。

也就是说，可快速充电、半永久性使用的充电电池也已经有望将体积减小到只有干电池的大小。

超级电容器为何不同与传统电容器

超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。

传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。

传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。

超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。

超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。

该距离（<10Å）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。

这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。

超级电容器充放电时间

超级电容器可以快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制，甚至短路也不是致命的。

实际上决定于电容器单体大小，对于匹配负载，小单体可放10A，大单体可放1000A。

另一放电率的限制条件是热，反复地以剧烈的速率放电将使电容器温度升高，最终导致断路。

超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数τ在1-2s，完全给阻-容式电路放电大约需要5τ，也就是说如果短路放电大约需要5-10s（由于电极的特殊结构它们实际上得花上数个小时才能将残留的电荷完全

超级电容有哪些优点：

在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题；

超级电容有哪些缺点：

如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。

飞轮电池

飞轮电池

　　飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。

众所周知。

  当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。

飞轮电池正是以其动能转换成电能的。

高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。

  飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能；

  放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。

  当飞轮电池输出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电他的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高（高达200000r/min），使用的轴承为非接触式磁轴承。

  据称，飞轮电池比能呈可达150W·h／kg，比功率达5000-10000W／kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。

国外已经商品化了的飞轮电池

这是一只150WH飞轮电池的照片。

目前的产品规格有：

FLB-E150Wh

FLB-E500Wh

HB-B2.5kwh

FLC-B25  kwh

FLB-D200kwh

什么，想看看里面的结构？

好吧。

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飞轮电池原理图飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，它与超导储能技术、燃料电池技术等一样，都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。

虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟，但是，化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题。

这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视。

尤其是飞轮储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。

2 飞轮储能装置简介

   飞轮储能装置主要包括3个核心部分：

飞轮、电机和电力电子装置。

它最基本的工作原理就是，将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。

它的原理图如图1所示。

图1  飞轮储能装置原理图

   事实上，为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内?

减少风阻。

通常发电机和电动机使用一台电机来实现，通过轴承直接和飞轮连接在一起。

这样，在实际常用的飞轮储能装置中，主要包括以下部件：

飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子装置，飞轮储能装置结构的示意图如图2所示。

图2  飞轮储能装置结构示意图

   当外设通过电力电子装置给电机供电时，电机就作为电动机使用，它的作用是给飞轮加速，储存能量；当负载需要电能时，飞轮给电机施加转矩，电机又作为发电机使用，通过电力电子装置给外设供电；当飞轮空闲运转时，整个装置就可以以最小损耗运行。

这样利用电机的四象限运行原理，使发电机和电动机共用一台电机的方法，不但可以提高效率，还可以减少整个储能装置的尺寸，使储能密度大大提高。

   在整个飞轮储能装置中，飞轮无疑是其中的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量E由式

（1）决定。

     E=jω2   

（1）

式中：

j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；

        ω为飞轮转动的角速度。

   电力电子装置通常是由FET或IGBT组成的双向逆变器，它们决定了飞轮储能装置能量输入输出量的大小，而与储能装置外接负载的性质无关。

3 飞轮储能装置与其它储能装置性能比较

   电能的储存一般都采用化学蓄电池，无疑化学电池是技术最为完善也是目前产量最大的储能装置，它是通过将电能转换为化学能实现电能储存的，然而伴随而来的环境污染和腐蚀问题就难以避免，而且受到储能方式本身特性的限制，一些主要性能总是难以提高，虽然它价格低廉，但是由于现在对环保和电池性能特点要求的不断提高，在许多领域中，人们已经不能接受化学电池的弊端，而逐渐将目光放在更加先进的储能方式上了。

   超导储能装置是一种科技含量较高的先进的储能方式，它把能量储存于超导线圈的磁场中，通过电磁相互转换实现储能装置的充电和放电。

由于在超导状态下线圈没有电阻，因此超导储能的能量损耗非常小，它的主要存储性能也很不错，对环境几乎不会造成污染，但是，超导的实现是通过把线圈的温度降低到它要求的温度以下来完成的，这个温度非常低，因此，持续维持线圈处于超导状态所需要的低温而花费的维护费用就十分昂贵，维持低温的费用过高就成为了人们在选择长期能量储备方式时不得不考虑的因素，这样便限制了超导储能应用的普及。

但是，超导储能仍然是许多科研工作者们的研究方向。

   被誉为改变未来世界的十大科技之首的燃料电池，是一种将燃料的化学能转化为电能的装置，它由燃料、氧化剂、电极、电解液等组成。

燃料一般采用氢，而电极只用作化学反应的场所并不参与化学反应，所以这种装置质量轻、无污染、不用充电、工作可靠、寿命长。

然而它是通过不断补充燃料来维持能量供应的，所以它需要不断进行维护，这也就决定了其应用范围必然不会很广，不过它在汽车和电力工业中却倍受青睐。

   现在飞轮储能的技术已经比较成熟，而且正在不断飞速发展，由于它具有良好的性能和相对比较理想的性能价格比，而越来越多地应用于各种场合，已经成为近几年储能设备应用研究的主要对象，而且必将逐步占领更大的储能设备市场。

   以上这些储能装置是目前人们最看好的或者是最常用的储能设备，当然，另外还有很多其它的新型储能设备，如核电池、超大容量电池等都受到了科学家们的关注，并且正在不断地进行技术研究和产品开发。

   这些储能技术各有特色，分别适用于不同的应用场所，尤其是前4种储能设备更是现在研究的重点课题，它们在各自的应用领域中保持着一定的市场，除非科技发展到某天出现一种的新技术打破它们之间的平衡。

   表1列出了这4种有巨大发展潜力和有着庞大市场的储能设备的一些主要性能指标。

表1 储能装置性能比较

对比特性

化学蓄电池

飞轮储能装置

超导储能装置

燃料电池

储能方式

化学方式

机械方式

电磁方式

化学方式

使用寿命

3～5年

20年以上

约20年

10年以上

对环境影响

污染，需要回收

几乎无污染

几乎无污染

污染极少

工作温度

有要求

要求低

严格控制温度

有要求

相对尺寸

最大

最小

较小

较大

价格

最低

高

较高（不定）

较低（不定）

储能密度

小

大

大

大

维护周期

半年以内

10年以上

经常维护

经常维护

4 飞轮储能装置的技术优势及目前的应用情况和展望

   飞轮储能装置的储能密度很大，由于使用的材料越来越先进，现在卫星上使用的飞轮储能装置甚至小到可以装进卫星壁中，而且飞轮储能装置运行的时候损耗很小，基本上不用维护，这就使得飞轮技术目前不断应用于卫星装置和太空空间站的太阳能储能电池中作为它们的能量供应中心来使用，同时飞轮还可以用于卫星的姿态控制中。

   随着人们环保意识的增强，在汽车行业中，正在寻找一种无污染或污染小的能量供给方式。

飞轮技术由于是电能和机械能的相互转化，不会造成污染，而逐渐走进汽车制造商们的视野。

美国飞轮系统公司（AFS）就生产出了以克莱斯勒LHS轿车为原形的飞轮电池轿车AFS20。

飞轮电池的充电放电次数很多而且充电速度很快，所以更适合应用于混合能量汽车技术中。

这种汽车是靠内燃机和电机两种方式共同提供推动力的，在汽车正常行驶和制动的时候给飞轮电池充电，汽车爬坡和加速，需要功率大的时候让飞轮电池放电，这样可以大幅度提高汽车的性能。

在铁路系统中也注意到了飞轮储能技术的这一特点，而对相关方面的应用已开始进行了研究和尝试。

   目前，美国已经开始在军用设备上尝试使用飞轮装置，尤其是大型混能牵引机车上。

由于飞轮的快速充放电和独立而且稳定的能量输出，当设备需要能量突然增加或者在能量转换时需要平稳过渡的时候，经常考虑到使用飞轮技术。

   随着材料学和磁悬浮轴承技术的不断发展，飞轮储能装置的储能密度越来越大，效率和寿命也在不断提高。

在放电的时候，是机械能和电能的相互转化，所以飞轮的寿命和放电的深度没有关系，这样飞轮可以应用的放电深度范围非常宽，特别适用于放电深度不规则的场合。

在飞轮储能装置中，决定输入输出能量的是外接的电力电子装置，而与外部的负载没有关系，还可以很方便地通过控制飞轮的旋转速度来控制飞轮的充电，这种特点在化学电池中实现起来要困难得多。

再加上飞轮储能系统的充电速度可以非常快，所有这些特点使得飞轮储能技术的应用范围越来越广泛。

   近年来，在许多外接负载为脉冲式负载的应用场所中，飞轮技术的应用研究正在逐渐增加，而且逐渐成熟。

在混合能量供应系统中，使用飞轮储能技术可以使能量转换得到平稳过渡，而且使动力系统的设计上不用按照最大功率进行设计，研究人员在飞轮技术上的关注也在逐渐增加，相信不久的将来，飞轮储能技术在这些领域的应用一定会更加广泛。

5 结语

   作为一门新兴的高科技储能技术，飞轮储能装置拥有传统化学电池无可比拟的优势已经被人们所认同，它的理论论证已经比较成熟，而且它的技术特点非常符合未来能源储存技术的发展方向。

目前，飞轮技术已经不断地应用于航天航空设备和其它的一些领域中，而且人们也正在不断地开发飞轮储能装置更多的应用领域，飞轮储能装置的应用正在向我们的日常生活走来，可以预测，未来几年的储能装置市场将会有很大一部分为飞轮储能装置所占领。

超导电池

超导储能系统

超导储能系统（SMES）是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，它具有反应速度快、转换效率高的优点。

不仅可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡，还可以调节无功功率和有功功率，对于改善供电品质和提高电网的动态稳定性有巨大的作用。

目前，小型SMES已经商品化，据预测，到2010年全世界对超导储能装置的需求将在15亿美元左右。

超导储能系统（SMES）的特点是，储能密度大，超导电阻为零，并且容易控制。

这使得超导储能不仅能在微秒、毫秒放电领域与电容器竞争，在秒级放电领域与旋转储能装置和电池组竞争，而且使它能在其他许多领域大显身手。

超导磁储能系统利用超导磁体的高效、高密度储能能力，通过电力电子换流装置的控制，能快速响应电力系统中的功率不