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超級電容器的現(xiàn)狀及應(yīng)用
超級電容器具有功率密度高(大于1kW·kg-1 ,甚至幾十 kW·kg-1)、壽命長(105次以上)、使用溫度寬(-40～60℃)及充電迅速(<3min)等優(yōu)異特性,各國政府和公司都積極開展此方面的研究開發(fā)工作,并已有各種產(chǎn)品得到了商業(yè)應(yīng)用。美國能源部已對研制全密封超級電容器制定了目標(biāo),其近期目標(biāo)(1998～2003年)為:功率密度達(dá)到500W·kg-1,能量密度達(dá)到 5Wh·kg-1;遠(yuǎn)期目標(biāo)(2003年以后)為:功率密度達(dá)到1500W·kg-1,能量密度達(dá)到15Wh·kg-1。目前,俄羅斯、美國、日本等國就超級電容器已開展了大量研究工作,
圖1 雙電層超級電容器、電化學(xué)電容器與可充電電池及燃料電池的能量密度、功率密度比較
表2 幾種電化學(xué)儲能器件的性能比較
| 電化學(xué)儲能器件 | 能量密度(Wh·dm-3) |
功率密度(W·dm-3)
|
循環(huán)壽命/次
|
| 電池 | 50～250 | 150 | <104 |
| 電化學(xué)電容器 | 5 |
>105
|
>105 |
| 普通物理電容器 |
0.05
|
>108 | >106 |
并取得了一定的進(jìn)展，90年代初,兩家俄羅斯公司Econd和ELIT開始銷售超級電容器,采用碳復(fù)合體及水系電解質(zhì),額定電壓在12～450V,容量從1法拉到幾百法拉,RC常數(shù)大約為0.3s,這些超級電容器適用于需要大功率的啟動動力的場合。日本松下公司的圓柱型超級電容器,采用碳材料及有機(jī)電解質(zhì),額定電壓為3V,容量800～3000F,功率密度1000W·kg-1 。美國Maxell公司方形超級電容器,采用碳布與鋁箔復(fù)合及有機(jī)電解質(zhì),額定電壓為3V,容量1000～2700F。最近日本的EPCOS公司也已開發(fā)出同類產(chǎn)品,準(zhǔn)備推向市場。法國SAFT公司的33680型超級電容器額定電壓為3V,單體重量為95g,比能量4.8Wh·kg-1,比功率3.4kW·kg-1。此外,美國Powerstor、Evans公司和Los Alamos National Lab、Pinnacle Research Insitute,日本NEC公司,澳大利亞Cap-xx公司、韓國NESS公司等在超級電容器方面的研究也很活躍。
表3 列出了目前國外超級電容器的研究現(xiàn)狀。
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公司
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國家
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技術(shù)基礎(chǔ)
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電解質(zhì)
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結(jié)構(gòu)
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規(guī)格
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PowerSto
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美國
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凝膠碳
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有機(jī)
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卷繞式
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3～5V,7.5F
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Skeleton
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美國
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納米碳
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有機(jī)
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預(yù)燒結(jié)碳-金屬復(fù)合物
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3～5V,250F
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Maxw ell
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美國
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復(fù)合碳纖維
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有機(jī)
|
鋁箔、碳布
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3V,1000～2700F
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Superf arad
|
瑞典
|
復(fù)合碳纖維
|
有機(jī)
|
碳布+粘合劑、多單元
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40V,250F
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Cap-xx
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澳大利亞
|
復(fù)合碳顆粒
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有機(jī)
|
卷繞式、碳顆粒+粘合劑
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3V,120F
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ELIT
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俄羅斯
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復(fù)合碳顆粒 |
硫酸
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雙極式、多單元
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450V,0.5F
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NEC
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日本
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復(fù)合碳顆粒 |
水系
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碳布+粘合劑、多單元
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5～11V,1～2F
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Panasonic
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日本
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復(fù)合碳顆粒 |
有機(jī)
|
卷繞式、碳顆粒+粘合劑
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3V,800～2000F
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SAFT
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法國
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復(fù)合碳顆粒 |
有機(jī)
|
卷繞式、碳顆粒+粘合劑
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3V,130F
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Los Alamos Lab
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美國
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導(dǎo)電聚合物薄膜
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有機(jī)
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單一單元,導(dǎo)電聚合物薄膜PFPT+碳紙
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2.8V,0.8F
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ESMA
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俄羅斯
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混合材料
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KOH
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多單元、碳+氧化鎳
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1.7V,50000F
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Evans
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美國
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混合材料
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硫酸
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單一單元、氧化釕+鋰箔
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28V,0.02F
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Pinnacle
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美國
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混合金屬氧化物
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硫酸
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雙極式、多單元、氧化釕+鋰箔
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15V,125F
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US Army
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美國
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混合金屬氧化物
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硫酸
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雙極式、多單元、含水氧化釕
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5V,1F
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可以發(fā)現(xiàn),研究及商業(yè)化的超級電容器大部分采用了碳材料作為電極材料。但是, 為進(jìn)一步提高電容器的性能,碳電極材料還存在很多問題,有待進(jìn)一步改進(jìn)。超級電容器因其優(yōu)異特性而使其在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,如用做存儲器、微型計算機(jī)、系統(tǒng)主板和鐘表等的備用電源;用做電動玩具車主電源、內(nèi)燃機(jī)中啟動電力、太陽能電池輔助電源,還可應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。電動汽車對動力電源的要求引起了全世界范圍對超級電容器這一新型儲能裝置的廣泛重視。傳統(tǒng)動力電池在高功率輸出、快速充電、寬溫度范圍使用以及壽命等方面存在一定的局限性,有些苛刻條件可能會顯著降低電池的壽命。而超級電容器能較好地滿足電動車在啟動、加速、爬坡時對功率的需求,若與動力電池配合使用,則可減少大電流充放電對電池的傷害,延長電池的使用壽命,同時還能通過再生制動系統(tǒng)將瞬間能量回收于超級電容器中,提高能量利用率。因而,超級電容器是近年來電動車動力系統(tǒng)開發(fā)中的重要領(lǐng)域之一。
美國Maxell 公司所開發(fā)的超級電容器已在各種類型電動車上都得到良好應(yīng)用。本田公司在其開發(fā)出的第三代和第四代燃料電池電動車FCX-V3和FCX-V4中分別使用了自行開發(fā)研制的超級電容器來取代二次電池,減少了汽車的重量和體積,使系統(tǒng)效率增加,同時可在剎車時回收能量,測試結(jié)果表明,使用超級電容器時燃料效率和加速性能均得到明顯提高,啟動時間由原來的10min縮短到10s。此外,法國SAFT公司,澳大利亞Cap-xx公司、韓國NESS公司等也都在加緊電動車用超級電容器的開發(fā)應(yīng)用。
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