超级电容器:优点和缺点都很明显的储能系统

超级电容器也称为双层电容器或电化学电容器,是近年来吸引众多科学家关注的一种新型储能系统。简单来说,可以把超级电容器想象成普通电容器和电池的结合体,只不过,它与这两者都不一样。

在我们深入探讨超级电容器是否可以在未来的储能系统竞争中占据一席之地之前,我们有必要更多地了解它的工作原理以及它与锂离子电池的不同之处。


其他储能技术


超级电容器和锂电池工作原理的差别

超级电容器和电池,它都是电能存储系统。如果我们看一下锂离子电池,它完全依赖于化学反应。它由正极和负极组成,技术上称为阳极和阴极。这两侧浸没在液体电解质中,并由微孔隔板隔开,只允许离子通过。在锂电池充放电期间,离子倾向于在阳极和阴极之间来回流动。当这些离子转移的时候会导致电池发热、膨胀,然后收缩。这些反应会逐渐使电池退化,从而导致电池寿命缩短。然而,锂电池技术的一个显着优势是它具有非常高的比能量或能量密度,可以储存能量供以后使用。

锂离子电池工作原理
锂离子电池工作原理

但超级电容器不同:它不依赖于化学作用来发挥作用。相反,它在其中以静电方式存储电能。超级电容器在它的极板之间使用电介质或绝缘体来分离在每一侧极板上积聚的正(+ve)和负(-ve)电荷。正是这种分离使设备能够存储能量并快速释放能量。它基本上可以捕获静电以备将来使用。这样做最显着的优势是,现在的3V电容器在15-20年后仍将是3V电容器。相反,锂离子电池可能会随着时间的推移和重复使用而失去电压容量。

超级电容器工作原理
超级电容器工作原理

此外,与锂电池不同,超级电容器具有更高的功率吞吐量,这意味着它可以在很短的时间内充电和放电。尽管如此,与电池相比,它的比能量非常低。超级电容器最适合容量较小但是功率爆发的应用场合。

超级电容器当前的一些应用

“超级电容器”的整个概念根本不是什么新鲜事物。第一个超级电容器是由GE(通用电气)于1957年制造的。标准石油公司在1966年意外地在研究燃料电池时发现了双层电容器。尽管如此,直到1970年代后期,日本公司NEC才开始在商业上提供第一个用于计算机内存备份的“超级电容器”。

我们正处于超级电容器的应用大规模应用的前期阶段。总的来说,超级电容器被认为在混合交通运输中具有最大的应用潜力。

比如在汽车中使用超级电容器的话,可以在汽车减速期间将动能转化为电力存储在超级电容器中,然后加速的时候通过释放超级电容器中的能量来驱动汽车,这样可以节省汽车能源的消耗,而且和锂电池相比,超级电容器的功率更大,也几乎没有容量衰减和寿命的问题。

在瑞士有一条公交路线上的公交车就是采用的超级电容器作为能源,他们在每一个站点安装充电站,每次公交车进站的时候,就会自动充电,只需要15秒钟就能够为公交车上的超级电容器充满电,正好这个时间可以让乘客上下车,然后超级电容器释放电能,驱动公交车前往下一个站点。

这种超级电容器公交车就是采用频繁的充放电来弥补了超级电容器能量密度不足的问题。而且由于超级电容器一次只吸收几分钟的较低电流,因此对电网的压力较小。

而在军事领域,超级电容器也有自己发挥作用的地方,比如我国第三艘航空母舰福建舰上的电磁弹射器,就是采用的超级电容器作为储能设备,可以在短时间内充放电来将舰载飞机弹射出去。相比较美国海军福特级航空母舰弹射器使用的飞轮储能系统而言,我国的超级电容器的技术更先进。

我国的福建舰航空母舰上的电磁弹射器的储能系统采用的就是超级电容器
我国的福建舰航空母舰上的电磁弹射器的储能系统采用的就是超级电容器

超级电容器和锂电池相比有哪些优势

这个问题的答案在很大程度上取决于它的应用场合。每种储能技术都有一些明显的优点和缺点。如前所述,锂电池的能量密度比超级电容器高得多。

这意味着电池更适合更高能量密度的应用,例如,设备需要在一次充电后长时间运行的应用。另一方面,超级电容器的功率密度比电池高得多。这使得它非常适合为电动汽车供电等高耗电应用。

性能超级电容器锂离子电池
充电时间1 - 10 秒10-60 分钟
循环寿命100万次或30000小时500次 及以上
电池电压2.3 至 2.75V3.6 至 3.7V
比能量(Wh/kg)5(典型)100-200
比功率(W/kg)最多 10, 0001000-3000
每瓦时成本20 美元(典型)0.50 美元 - 1.00 美元(大型系统)
使用寿命(汽车)10 到 15 年5到10年
充电温度-40 至 65°C0 至 45°C
放电温度-40 至 65°C-20 至 60°C
超级电容器和锂离子电池的性能比较

超级电容器的寿命也比电池长得多。普通锂电池可以处理大约2000-3000次充电和放电循环,而超级电容器通常可以维持超过100万次充放电,这样它可以节省大量的材料和成本。

超级电容器可以在几秒钟内充电,与依赖内部化学反应并因此很快磨损的化学电池不同,超级电容器不会随着时间的推移而退化。今天的2.7伏超级电容器将在15年后成为2.7伏超级电容器。相比之下,当前所有的电池设计都会逐渐降低性能,这意味着您今天的12伏电池可能在短短三年内变成11.4伏电池。

虽然与锂电池重量相同的超级电容器可以容纳更多电力,但其瓦特/千克(功率密度)比锂离子电池高出10倍。然而,超级电容器无法缓慢放电意味着其瓦特小时/千克(能量密度)只有锂离子电池的一小部分。

未来超级电容器的应用前景非常广阔

虽然目前超级电容器的缺点是显而易见的,但是它的优势也是非常明显的,所以科学家也在对超级电容器进行持续的研究和改进,比如基于石墨烯的超级电容器能够做到更坚固、更薄,可以在短时间内存储和释放大量的能量。

在未来,预计超级电容器可以被开发为比锂离子电池储存更多的能量,同时保持释放能量的速度高达10倍。这意味在电动汽车中可以直接使用超级电容器作为电池为汽车提供动力。

对于一项已有近65年历史的技术,超级电容器尚未在电气技术中找到自己的位置。但似乎与锂离子电池一致,并且随着石墨烯的应用越来越广泛,超级电容器正在慢慢地将自己打造成为混合电力技术中的重要角色。超级电容器可以在制造锂离子电池方面发挥作用,这种电池具有高能量密度,在更长时间和更长时间内更有用。

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