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    電子行業:超級電容具備超級前景

    2020-07-07

      超級電容可以廣泛應用于輔助峰值功率、備用電源、存儲再生能量、替代電源等不同的應用場景,在工業控制、風光發電、交通工具、智能三表、電動工具、軍工等領域具有非常廣闊的發展前景,特別是在部分應用場景具有非常大的性能優勢。根據美國能源局測算,超級電容的市場容量從2007 年的40 億美元,增長到2013 年的120 億美元,中國市場超級電容2013 年則達到了19.2 億元人民幣。一旦汽車等應用打開,市場將迎來快速的爆發。

      1.雙電層理論:超級電容的工作原理:

      1.1雙電層理論

      超級電容(法拉電容、黃金電容)是利用電子導體活性炭與離子導體有機或無機電解液之間形成感應雙電荷層原理制成的電容器。超級電容器電荷距離遠比傳統電容器介質材料所能實現的距離更小,活性炭電極表面積成數量級增大,使得超級電容較傳統電容器而言有超級大的靜電容量,這也是其超級所在。

      雙電層電容器是建立在雙電層理論基礎之上的。1879年Helmholz發現了電化學界面的雙電層電容性質;1957年,Becker申請了第一個由高比表面積活性炭作電極材料的電化學電容器方面的專利(提出可以將小型電化學電容器用做儲能器件);1962年標準石油公司(SOHIO)生產了一種6V的以活性碳(AC)作為電極材料,以硫酸水溶液作為電解質的超級電容器,1969年該公司首先實現了碳材料電化學電容器的商業化;1979年NEC公司開始生產超級電容器(SuperCapacitor),開始了電化學電容器的大規模商業應用;隨著材料與工藝關鍵技術的不斷突破,產品質量和性能不斷得到穩定和提升,到了九十年代末開始進人大容量高功率型超級電容器的全面產業化發展時期。

      在超級電容器的產業化上,最早是1980年NEC/Tokin與1987年松下三菱的產品.到20世紀90年代,Econd和ELIT推出了適合于大功率啟動動力場合的電化學電容器.如今,Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、NESS等公司在超級電容器方面的研究均非?;钴S。目前美國、日本、俄羅斯的產品幾乎占據了整個超級電容器市場,各個國家的超級電容量器產品在功率、容量、價格等方面都自己的特點和優勢。

      電容器不同于電池,在充放電時不發生化學反應,電能的儲存或釋放是通過靜電場建立的物理過程來完成的,電極和電解液幾乎不會老化,因此使用壽命長,并且可以實現快速充電和快速大電流放電。

      當外加電壓加到兩個極板上時,與普通電容器一樣,超級電容器正負極板會分別產生正負電荷,在兩極板電荷產生的電場作用下,電解液中的電荷會重新分布,并在與電極的接觸界面上形成以極短間隙排列在相反位置上的相反電荷,以平衡電解液內電場,從而形成特殊的雙電層電荷分布結構超級電容器是從多孔碳基電極材料得到其儲存電荷面積的,它每克的表面積可高達2000平方米。而超級電容器中電荷分隔的距離是由電解質中的離子大小決定的,其值小于10埃。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離,使得超級電容有很大的電容量。隨著超級電容器放電,正負極板上的電荷被外電路泄放,在電解液界面上的電荷相應減少,所以充放電過程始終是物理過程,沒有化學反應。因此性能是穩定的,與利用化學反應的蓄電池是不同的。

      1.2各領風騷:超級電容vs鋰電池

      能量儲存是超級電容與電池的功能特點,故而在風光發電、電動汽車等等應用領域中,超級電容與電池特別是鋰電池的技術之爭從未平息。

      從能量密度和功率密度的角度來看,電池共同的特點是能量密度相對較高,但是由于電流較小,功率密度較低。而超級電容則正好相反,由于電流較大,功率密度較高,但是受限于材料等因素,能量密度較低。

      相比于電池(鉛酸、鎳錳、鋰),超級電容具有充電速度塊,功率密度高、壽命長、安全性好、環保、工作范圍大等優點,在一定的應用場合將成為傳統電池的替代者。

      而超級電容最大的問題在于能量密度較低,包括體積能量密度和重量能量密度兩個方面,所以更多應用在體積、重量相對不太敏感,對于瞬間大電流有應用要求的使用環境。

      事實上,我們相信未來更多的應用將是把超級電容與傳統電池結合的模組化產品,又超級電容滿足瞬間功率要求,由電池提供穩態功率輸出。

      2.超級電容的廣闊空間

      超級電容可以廣泛應用于輔助峰值功率、備用電源、存儲再生能量、替代電源等不同的應用場景,在工業控制、風光發電、交通工具、智能水表、電動工具、軍工等領域具有非常廣闊的發展前景,特別是在部分應用場景具有非常大的性能優勢。

      從過去幾年超級電容市場領先的Maxwell的情況來看,從2007年的1740萬美元,到2012年接近1億美元,呈現出快速的增長勢頭。

      根據美國能源局測算,超級電容的市場容量從2007年的40億美元,增長到2013年的120億美元。而中國市場超級電容2013年則達到了19.2億元人民幣,預計到2016年將超過33.8億元人民幣。一旦汽車等應用打開,市場將迎來快速的爆發。

      2.1新能源應用潛力巨大

      新能源領域中,太陽能、風能等能源具有時間上的不均勻性,在晝夜和不同季節的分布上變化較大,超級電容與由于充電快、壽命長,可靠性強,耐大電流能力強等優勢,可以在太陽能、風力發電等領域廣泛應用。

      在太陽能、風能輸出不穩定時,由超級電容器作為緩沖器存儲過剩能量,在電能輸出不足時則將超級電容器中存儲能量在短時間內釋放。

      同時新能源采集中,需要用到各類機械控制系統,以往這類系統的能源由電池提供,由于工作具有間歇性和瞬間強度大等特點,導致電池壽命大大降低。超級電容器由于充放電快,壽命長,特別適合這種應用場景,更可以減少頻繁更換電池帶來的人工和維護成本。

      2.2電動汽車:超級電容與鋰電池整合方案

      隨著Tesla的銷售火熱帶動了整個市場對于新能源汽車的巨大熱情,超級電容作為新能源汽車的能源選擇之一受到廣泛的關注和研究。

      目前來看超級電容主要包括兩類應用,一是應用于純電或混合動力電動車,作為能量存儲緩沖單元,在汽車減速或停車時制動系統產生的熱能轉化為電能儲存在超級電容模組中,在啟動過程中利用超級電容的瞬間大功率特性,帶動發動機工作。智能啟??刂葡到y成為了超級電容在新能源汽車領域的重要應用。

      另一類應用則是具有穩定行進線路的超級電容公交大巴,這一應用目前已經在包括上海等幾個城市展開試點。以超級電容作為主要動力源(4.700, 0.01, 0.21%)時,由于超級電容目前存在能量密度小的問題,續航里程相對較短。但是應用于具有穩定行進路線的公交大巴應用時,由于站點間距離有限,可以利用停站上下客的時間快速充電,恰好符合超級電容的性能特點。

      2.3智能水表應用:大幅降低維護成本

      傳統的智能水表,在控制水閥普遍采用的方法是內裝鋰電池的設計,優點在于重量輕、能量大、自放電率低等。但是鋰電池使用到一定時間后,不得不更換電池,需要上門為用戶更換電池或水表,增加了后續的維護成本。對于水表生產廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事。另外,電池電量不足的情況出現是隨機的,如果不精確和及時的監測電池電量,將無法可靠的關斷水閥,造成無法計費、逃水現象等情況出現。這是內部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點,直接影響到它的推廣和使用。

      用超級電容代替鋰電池可以解決這個問題。超級電容是一種無源器件,介于電池與普通電容之間,具有電容的大電流快速充放電特性,同時也有電池的儲能特性,并且重復使用壽命長,放電時利用移動導體間的電子(而不依靠化學反應)釋放電流,從而為設備提供電源。

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