芒果体育一.定义电化学电容器又称作超大容量电容器和超级电容器。它是一种介于电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比电化学电容器具有更高的比容量。与电池相比具有更高的比功率可瞬间释放大电流充电时间短充电效率高循环使用寿命长无记忆效应和基本免维护等优点。因此它在移动通讯消费电子电动交通工具航空航天等领域具有很大的潜在应用价值。电化学电容器化学电容器的原理和特点根据电化学电容器储存电能的机理的不同可以将它分为双电层电容器和赝电容器。2.1双电层电容器的原理双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷称为界面双电层。双电层电容器电极通常由具有高比表面积的多孔炭材料组成。炭材料具有优良的导热和导电性能其密度低抗化学腐蚀性能好热膨胀系数小可以通过不同方法制得粉末、颗粒、块状、纤维、布、毡等多种形态。目前双电层电容器的炭材料有活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、碳气凝胶、碳纳米管CNT、玻璃碳、网络结构炭以及某些有机物的炭化产物。对炭材料的研究主要集中在活性炭碳纳米管和碳气凝胶上。活性炭材料主要是提高其有效比表面积和可控微孔孔径2nm。近年来有文献报道通过合理控制孔径分布及表面积在水溶液和非水溶液中活性炭电极可分别得到高达280Fg和120的比电容量。碳气凝胶由美国开发出来现在已经由公司生产出碳气凝胶超大容量电容器具有超高容量极低的。温度范围但此材料的制备相对较繁琐。碳纳米管用于电化学电容器的电极材料具有独特的中孔结构良好的导电性比表面积大适合电解液中离子移动的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构因此被认为是电化学电容器的理想电极材料成为研究热点并取得了很大进展。2.2赝电容器的基本原理继双电层电容器后又发展了赝电容器。赝电容也称法拉第准电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上电活性物质进行欠电位沉积发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应产生和电极充电电位有关的电容。赝电容不仅在电极表面而且可在整个电极内部产生因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下赝电容可以是双电层电容量的10100倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。目前对金属氧化物电极电化学电容器所用电极材料的研究主要是一些过渡金属氧化物如a—MnO2?nH20、a—V205?nH20、a—RuO2?nH20、IrO2、Ni0、H3PMol2040?nH20、W03、Pb02、Co304、SrRuO3等另外还有发展金属的氮化物y-MN作电极材料。金属氧化物基电容器目前研究最为成功的电极材料主要是氧化钌由于贵金属的资源有限价格过高将限制对它的使用对于金属氧化物电容器的研究主要在于降低材料的成本寻找较廉价的材料。用导电聚合物作电化学电容器的电极材料是近年来发展起来的一个新的研究领域。其电能储存机理是通过电极上聚合物中发生快速可逆的n型或P型元素掺杂和去掺杂氧化还原反应使聚合物达到很高的储存电荷密度从而产生很高的赝电容达到储能目的。导电聚合物材料具有良好的电子导电性因此制作的电容器内阻小比电容量大通常聚合物电容器的比能量比活性炭作电极的电化学电容器要大23倍。常见的导电聚合物材料有聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺聚对苯、聚并苯、聚乙炔二茂铁PVF、聚亚胺酯以及它们衍生物的聚合物如聚3一4一氟苯基噻吩聚反式二噻吩丙烯氰。目前对导电聚合物电容器的研究主要集中在提高其循环寿命上。2.3电化学电容器的特点电化学电容器作为一种新的储能元件具有如下优点1超高电容量016000F。EC与钽、铝电解电容器相比较电容量大得多比同体积电解电容器电容量大20006000倍。3功率密度高与充电电池相比可作为功率辅助器供给大电流。EC最适合用于要求能量持续时间仅为l102S的情况。4充放电效率高超长寿命充放电大于40万次。EC电量的储存是通过离子的吸脱附而不是化学反应故能快速充放电。充电电池在反复充放电时电极的结晶结构会变差甚至最终不能再充电即寿命问题。而EC在充放电时仅产生离子的吸脱附电极结构不会发生变化因此其充放电次数原理上没有限制。另外对过充电或过放电有一定的承受能力在短时间过压一般不会使装置产生严重影响可稳定地反复充放电。5放置时间长。EC有更长的自身寿命和循环寿命EC超过一定时间会自放电到低压但仍能保持其电容量且能充电到原来的状态即使几年不用仍可保留原有的性能指标。6温度范围宽一4070一般电池是_2060。在低温时电池中化学反应速度极慢而EC中离子的吸脱附速度变化不大故其电容量变化也比充电电池小得多。7免维护环境友善。但是目前电化学电容器还有一些需要改进的地方如能量密度较低体积能量密度较差和电解电容器相比工作电压较低一般水系电解液的单体工作电压为014V且电解液腐蚀性强非水系可以高达45V实际使用的一般为35V作为非水系电解液要求高纯度无水价格较高并且非水系要求苛刻的装配环境。电化学电容器三.电化学电容器的应用由于电化学电容器上述的特点一问世便受到人们的重视已在很多领域得到成功的应用并且应用范围还在不断地扩大。目前电化学电容器的发展正在逐步进入成熟期。近几年来双电层电容器的年销售额都保持在1000万美元以上并且逐年稳步增长到1997年其年销售额已经超过13亿美元2001年达2亿美元。电化学电容器以其大容量高能量密度大电流多次充放电等性能使其在工业芒果体育、消费电子、电信通讯、医疗器械、国防、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。其外观形式也多种多样有圆形长方形贴片型等如图1所示。现将主要应用范围举例如下目前已经开发的电化学电容器根据放电量、放电时间以及电容量大小主要用作后备电源、替换电源和主电源1作后备电源目前电化学电容器应用最广的部分是电子产品领域主要是充当记忆器、电脑、计时器等的后备电源。当主电源中断、由于振动产生接触不良或由于其它的重载引起系统电压降低时EC就能够起后备补充作用。其电量通常在微安或毫安级。典型的应用有录像机、Tv、汽车音频系统、出租车的计量器、无线电波接收器、出租计费器、闹钟、控制器、家用面包机、咖啡机、照相机和电视机芒果体育、计数器、移动电话、寻呼机等。在这些应用中EC的价格比可充电电池低。其最大好处是寿命长、循环次数多、充电快以及环境适应性强。2作替换电源由于EC具有高充放电次数、寿命长、使用温度范围宽、循环效率高以及低自放电故很适合这种应用。例如白昼黑夜的转换。白天太阳能提供电源并对EC充电晚上则由EC提供电源。典型的应用有太阳能手表、太阳能灯、路标灯、公共汽车停车站时间表灯、汽车停放收费计灯、交通信号灯等它们能长时间使用不需要任何维护。3作主电源通过一个或几个EC释放持续几毫秒到几秒的大电流。放电之后EC再由低功率的电源充电。其典型的应用有玩具车其体积小、重量轻能很快跑动发生故障时EC也能自动防止故障而过去通常用的是弹簧系统。另外带有EC 的传动器不仅小巧、而且便宜和快捷。 目前正在开发低价格 高电容量低等效串联电阻 和高电压以及缩小体积、减轻重量的高可靠性的电化学电 容器这将激发一个巨大的新市场。下面举几个正在开发的电化学电容器的应用领域。 2.4智能水表 传统的智能水表在控制水阀开启和关断时普遍采用的方法是内装锂电 池。由于智能水表都没有设 计再充电电路锂电池使用到一定时间后将无法为控制电 路提供能量不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表这对于水表生产厂家和自 来水公司来说都是一件繁琐的事。更危险的是电池电量不足的情况出现是随机的如 果不精确和及时地监测电池电量将无法可靠地关断水阀造成无法计费、逃水现象等 情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点直接影响到它的推广和使 用。为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题 以往各厂商想尽各种办法都没有取 得非常有效、实用、经济的办法。目前已有不少厂家尝试一种全新的方案那就是用 超大容量电容器代替锂电池应用于智能水表。与内装锂电池的智能水表相比较这种 方案是用超大容量电容器替换锂电池封装在水表中同时外接电池供电。 平时电池提 供水表电路所需能量和对超大容量电容器充电在需要开启水阀时先检测超大容量电 容器是否存储足够能量如果没有存储足够能量将不开启水阀当检测它存储足够能量 时由外接电池提供能量将水阀开启在需要关断水阀时如果外接电池不能提供能量将 水阀关断那么超大容量电容器将在此刻提供能量来关断水阀。该方案将电池从水表 中分离出来从而可以不考虑电池寿命对水表的影响延长了水表的使用时间。超大容 量电容器的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性在外接电池电量不足时仍能利 用存储在超大容量电容器上的能量将水阀关断。如果电池电量不足用户可以随时更 换。这样不仅使电路设计简化减少产品的出厂检验工序还使产品的成本降低。 2.5 军事方面 现代军用工业突发猛进 已相继发展了新一代激光武器、粒子束武器、潜 艇、导弹以及航天飞行器等高功率军事装备。这些装备在发射阶段除装备有常规高 比能量电池外还必须与超大容量电容器组合才能构成“致密型超高功率脉冲电源”通 过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放功率的调整使脉冲电起飞加速器、电弧喷气 式推进器等装置能实现在脉冲状态下达到任何平均功率水平的功率状态。此外军事 用途的载重卡车、装甲车辆、电动车辆在恶劣条件下如启动、爬坡、刹车等过程也 必须使用电池与超大容量电容器组合的动力装置即“混合动力系统”。2l世纪军队及 武警部队应实现全部装备包括武器、通信设备、防护系统等数字化芒果体育。据统计每个士 兵所必需的电源功率约为350 以工作时间24h计总能量达85 重量达85kg。若采 用混合电池电容系统可比配置单一电池的装备重量减轻59大大降低每个士兵的负 2.6太阳能与风力发电对于局部的电源供应太阳能是最方便的电源因此太阳能 电池已经成为宇宙飞船人造卫星和星际 航天站等的主要电源之一并相继用于地面 上的许多特殊地方如航道灯塔、无人值守系统、高山气象台、沙漠地区考察和边防 哨所等。在现代城市中太阳能照明在节能的同时还减少了铺设电缆的麻烦 因此在高 速公路、公园、广场、居民小区旅游区等作为照明、装饰、指示性标志的光源具有 广泛的应用使用太阳电照明是北京举办“绿色奥运”的重要组成部分。作为太阳能发 电重要组成部分的储能装置要求存储容量大、工作寿命长可以进行瞬间充电以适应 天气的变化、无记忆效应以及免维护等。但是大量蓄电池在复杂环境下的运行和维 护费用比较昂贵并且在高温和反复充放电的应用条件下会缩短使用寿命。超大容量 电容器因其具有十万次以上的深度充放电循环寿命和免维护、高可靠性等特点使得 替换蓄电池成为可能并可以大大降太阳能发电系统的总运营成本。另外微型和小型 超大容量电容器还可与太阳能电池并联使用作为贮能元件用于太阳能手表太阳能计 算器或其它太阳能应用方面。日本Matsushita公司生产的Up-Cap电容器已经用于光 伏发电的功率负载上。 2.7内燃机车启动 目前国内内燃机车是用蓄电池组来启动柴 油发电机组没有使用其它辅助装置。蓄电池组存在充电时间长、寿命短、运行维护 费用高、污染环境等方面的问题。如果用电容器作为电启动的辅助装置则可以很好 地解决这些问题改善电启动的性能但传统电容器的电容量不能满足内燃机车蓄电池 组的要求。使用超大容量电容器作为内燃机车电启动的辅助装置非常适用在频繁启 动的调车机车上短时待机时就可随时停机没有任何限制这样既降低了柴油机的机械 磨损又节省了燃油。在安装电启动辅助装置后超大容量电容器与柴油机的电启动蓄 电池并联使用在柴油机启动时 由于3050 以上的启动电流来自于超大容量电容器蓄 电池的负担要比过去小得多。薛洪发将超大容量电容器和蓄电池联合工作时的研究 发现与单独使用蓄电池组启动比在蓄电池组输出电流降低28的情况下启动发电机的 输入电流增加了43端压最低值升高了45启动瞬时功率提高了约100启动时间缩短。发 现采用大容量电容器辅助启动装置后大大降低了蓄电池成本。另外柴油机旋转加速 度增加提高了燃油点燃质量缩短了柴油发电机组的启动时间确保了启动的可靠性特 别是在低温以及蓄电池组电量不足或参数变坏时尤为明显。电化学电容器可用于各 种大型载重和特种车辆以及船舶的电启动装置上。延长蓄电池使用寿命降低运营成 本提高经济效益。目前在国内正处于实验阶段。 2.6电力系统中— 电站直流控制高压变电站及开关站使用的绝大多数是电磁操动开关机构专门配有电容储能式硅整 流分合闸装置作为分合闸操作、控制、保护用的直流电源。电容储能式硅整流分合 闸装置在实际使用中存在着事故分闸的可靠性差等缺陷其原因是储能电解电容器组 容量有限只有几千个微法以及漏电流较大的不足使其无法在任何情况下保证事故分 闸所需要的能量并可能造成严重的事故。虽然可以将电解电容器换成小容量的蓄电 池组然而蓄电池组由于价格昂贵、寿命有限且必须定期进行维护保养等问题造成了 很高的运营成本。 超大容量电容器的出现为解决上述问题带来了希望。在保留了电 容储能式硅整流分合闸装置结构简单成本低维护量小的特点的同时超大容量电容器 保证了分闸能量供应的绝对可靠。超大容量电容器的储能较电解电容器组超出数百 倍以上且仅存在极小的漏电在停电后数天后仍可保证数百次的分闸和足够的安全余 量。由于减少了蓄电池组的用量 因此大幅度降低了蓄电池的成本减小了维修保护 量。超大容量电容器在直流电源系统中应用获得成功是一种较理想的蓄电池替代产 随着技术的不断完善特别是随着计算机自动测试和充放电监控技术的完善加之其良好的性能价格比仅为蓄电池价格的tt0真正实现免维护等优良特性必将在电力 自动化系统中得到更加广泛的应用。