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电化学超级电容原理及应用

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电化学超级电容原理及应用. 莫妍 化工学院 2012207092. 超级电容的基本原理. 超级电容( supercapacitor ),又叫双电层电容 (Electrical Doule-Layer Capacitor) 、黄金电容、法拉电容,即通过外加电场极化电解质,使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层,从而实现储能。其储能过程是物理过程,没有化学反应,且过程完全可逆,这与蓄电池电化学储能过程不同。 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,又具有电池的储能特性。. 目录. 1 、超级电容的原理和特点

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电化学超级电容原理及应用

莫妍 化工学院

2012207092

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超级电容的基本原理

  • 超级电容(supercapacitor),又叫双电层电容(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容,即通过外加电场极化电解质,使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层,从而实现储能。其储能过程是物理过程,没有化学反应,且过程完全可逆,这与蓄电池电化学储能过程不同。
  • 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,又具有电池的储能特性。
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目录

  • 1、超级电容的原理和特点
  • 2、超级电容的性能指标
  • 3、超级电容与普通物理电容比较
  • 4、超级电容与可充电池比较
  • 5、超级电容的应用
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超级电容器的分类

  • 根据使用电极材料的不同可分为两大类:
  • (1)以炭材料为电极,以电极双电层电容的机制储存电荷,本质是静电型能量储存方式,通常被称作双电层电容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有关,因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料,从而增加电容量。例如,活性碳的表面积可达1000m2/g,电容量可达100F/g,且碳材料还具有成本低,技术成熟等优点,该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。
  • (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。与双电层电容器的静电容量相比,相同表面积下超电容器的容量要大 10~100倍 ,因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高,主要用于军事领域。
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超级电容器的优缺点

  • 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;与电池相比过充、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
  • 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
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超级电容与传统电容的比较

  • 电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的,储存电荷的面积越大,电荷被隔离的距离越小,电容越大。
  • 电容值为:  C = ε·A / 3.6 πd  其中A为极板面积,d为介质厚度,ε为相对介电常数
  • 传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的,只有将一很长材料缠绕起来才能获得大的面积,从而获得大的电容。另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿。
  • 超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的,这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的,其值小于10埃。超级电容能量密度较传统电容高,但功率密度较之低。
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超级电容与电池的比较

  • 超低串联等效电阻,功率密度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)
  • 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
  • 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,免维护,可密封
  • 温度范围宽-40℃~+70℃,一般电池是-20℃~60℃
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超级电容应用领域

  • a.无线通讯----GSM手机通讯时脉冲电源;双向寻呼;  其它数据通讯设备
  • b.移动电脑----手提数据终端;PDA;其它使用微处  理器的手提设备
  • c.工业/汽车----智能水表、电表;远程载波抄表;  无线报警系统;电磁阀;电子门锁;脉冲电源;UPS;电动工具;汽车辅助系统;汽车启动设备
  • d.消费电子----音响、视频和其它电子产品断电时  须用记忆保持电路的产品;电子玩具;无线电话;  电热水瓶;照相机闪光灯系统;助听器
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超级电容在无线通讯中的应用

  • 在无线通讯中,GSM/GPRS无线调制解调器传输数据过程中,需要输出电压3V左右,输出200-300mA的电流脉冲,脉冲时间为秒级,期间还另需要一次达2A的电流脉冲,脉冲时间为毫秒级。
  • 常态脉冲电流供电可由常规型号单体电池实现,而达到2A以上的大电流脉冲则只能依靠超级电容来实现。
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超级电容在智能水表中的应用

  • 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。锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。但当电池电量不足时,不能有效监测,将无法可靠的关断水阀,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。
  • 新方案用超级电容替换锂电池,封装在水表中,同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容充电;而当电池电压过低,或突然断电时(如取下电池),由超级电容继续为电路提供电源,同时,超级电容存储的能量足以关断阀门。
  • 新方案优点:1、将电池与水表分离,可随时更换,延长水表寿命。2、超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性。
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超级电容在电动汽车中的应用

  • 电动汽车的辅助动力
  • 改善汽车的启动性能
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图示为燃料电池汽车的起动过程,由于超级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率,从而使汽车起步过程大大加快。

图示为超级电容应用于电动车的典型结构

UCMS(超级电容管理系统)主要作用是管理每个单体电流的大小,防止电压超过电解质的分解电压而造成损坏,限制单体不均匀性的影响。从而使超级电容组稳定可靠的工作,提高超级电容组整体的效率和寿命。 DC/DC一般为电流型升压变换器,主要作用是控制电容器的能量输入输出,协调超级电容电压和电池电压 。

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超级电容在汽车启动系统中的应用

  • 汽车用蓄电池是启动专用蓄电池,可高倍率放电,但以超过10C的高倍率放电仍会使其性能变得很差,且对蓄电池的损伤也很明显。(如用12V/45Ah的蓄电池启动1.9升柴油机的汽车,其电压在启动瞬间由12.6V直降3.6V;启动瞬时电流达550A,约为12C的放电率 )
  • 将超级电容(450F/16.2V)与蓄电池( 12V/45Ah )并联使用可显著改善启动性能。启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V;启动电流从560A提高到1200A;启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到8.7kW;启动过程的平稳电压由7V提高到9.4V;启动过程的平稳电流由280A提高到440A;启动过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。
  • 特别是在低温或冬季寒冷的恶劣环境下,由于蓄电池的性能大大下降,很可能不能正常启动或需多次启动才能成功,而超级电容器由于去高功率特性与蓄电池并联时则仅需一次点火,其优点是非常明显的。
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超级电容+锂离子电池复合电动车

  • “电池-电容混合电动汽车应用示范系统研究”项目,上海市电力公司负责实施 ,采用的是超级电容和锂离子电池相混合的技术。目前已有10辆这种电池-电容混合型电动汽车在上海825路公交车上线运营。
  • 这种电池-电容混合型电动汽车具有续驶里程长、充电速度快、充放电循环次数高等主要优点,一次完全充电最大行驶距离可达100-300公里,最高时速可达80-100公里,一次完全充电时间3小时左右,每 公里耗电小于1.6度。
  • 有关检测数据表明,使用该混合纯电动汽车可减少92%-98%的汽车废气排放,同时可节省能源费用70%-80%。
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