简述超级电容电池的特点和注意事项

2020-11-06 10:14 ryder

电容电池实际上就是一个电容器,只是由于其容量比通常的电容器大得多,对外表现和电池相同,因此取名“电容电池”,也有称作“超级电容”。

超级电容电池的特点:

(1)充电速度快,只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上;
(2)循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达50万次,如果对超级电容每天充放电20次,连续使用可达68年;
(3)大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%;
(4)功率密度高,可达300W/kg~5000W/kg,相当于普通电池的数十倍;
(5)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源;
(6)充放电线路简单,无需充电电池那样的充电电路,安全系数高,长期使用免维护;
(7)超低温特性好,使用环境温度范围宽达-40℃~+70℃;
(8)检测方便,剩余电量可直接读出;
(9)单体容量范围通常0.1F--1000F。

超级电容电池的结构和工作原理;

超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也称作“电容电池”或说“黄金电池”。超级电容器电池也属于双电层电容器,它是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量.

传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数为ε)所隔离,电容值为:C=ε·A/3.6πd·10-6(μF)其中A为极板面积,d为介质厚度。所储存的能量为:E=C(ΔV)2/2,其中C为电容值,ΔV为极板间的电压降.可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A或减少介质厚度d,但这个伸缩空间有限,导致它的储电量和储能量较小。

双电层电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A),而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d),根据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,从而使单位重量的电容量可达100F/g,并且电容的内阻还能保持在很低的水平,碳材料还具有成本低,技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能,且在实际使用时,可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。

超级电容器电池使用注意事项:

1、超级电容器具有固定的极性。在使用前,应确认极性。
2、超级电容器应在标称电压下使用:
当电容器电压超过标称电压时,将会导致电解液分解,同时电容器会发热,容量下降,而且内阻增加,寿命缩短,在某些情况下,可导致电容器性能崩溃。
3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中,高频率的快速充放电会导致电容器内部发热,容量衰减,内阻增加,在某些情况下会导致电容器性能崩溃。
4、安装超级电容器后,不可强行倾斜或扭动电容器,这样会导致电容器引线松动,导致性能劣化。
5、在焊接过程中避免使电容器过热:
若在焊接中使电容器出现过热现象,会降低电容器的使用寿命,例如:如果使用厚度为1.6mm的印刷线路板,焊接过程应为260℃,时间不超过5s。
6、将电容器串联使用时:
当超级电容器进行串联使用时,存在单体间的电压均衡问题,单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压,从而损坏这些电容器,整体性能受到影响,故在电容器进行串联使用时,需得到厂家的技术支持。

超级电容电池的目前市场

随着各国对超级电容电池紧锣密鼓的研发,技术日趋成熟,超级电容电池已进入应用阶段,渐趋市场化、商业化。
极具代表意义的是2006年8月28日,由奥威科技等单位参与的上海科技创新登山行动计划超级电容公交电车示范线11路正式开通,标志着我国乃至世界首条超级电容电动公交车线路迈出了商业化运行的步伐。这10辆“零污染”超级电容公交车和10个智能充电站,这种超级电容车看上去是一辆无轨电车,所不同的是“剪”掉了头顶上累赘的两根大“辫子”,在车底部安装了一种超级电容器。车进站后趁着上下客的间隙,车顶充电设备会自动垂直升起,搭到隐藏在候车站“屋檐”下的电缆上,30秒钟即完成充电,能平稳行驶3-8公里,最高速度则可达每小时44公里。与有轨、无轨电车相比,超级电容公交车没有地面轨道和空中触线网,有利于“净化”城市空间。据了解,在开启空调的情况下,超级电容公交车每公里带空调耗能仅为1.4度电,能耗费用仅为燃油汽车的33%,在刹车制动时能量回收率达到40%。虽然这种车的技术还不够完美,加上驾驶员的操纵还不到位,会有这样那样的小问题,但其运行前景不容置疑。
电动车的典型驱动结构如图示。
另外,超级电容器在变配电站直流系统中、税控机、税控收款机上、摇晃式手电筒上(免换电池,只要摇晃30秒钟,即可发光5分钟;照射距离1公尺)、智能表类(如智能水表和煤气表)上、计算机UpS电源方面亦多有应用。打开淘宝网,已能找到几家出售这种新电源的商铺,足以说明它的市场化程度。有专家预言,有朝一日,超级电容电池技术变得成熟,造价可以被老百姓接受,则将满街都是电动车!
目前超级电容电池的研发情况
超级电容器是上世纪80年代后发展起来的新型储能器件,在欧洲、美国、日本已经开始形成新兴的产业。
从1990年开始,世界各国开始成立专门机构开发和生产超级电容器,目前,在该技术领域中处于领先地位的国家有俄罗斯、日本、德国和美国,这些发达国家已把超级电容器项目作为国家重点研究和开发项目,并提出了近期和中长期发展计划。在超级电容器的实用性方面,俄罗斯走在世界的前列。
我国从九十年代开始研制超级双电层电容器,与国外先进水平还有一定的差距。据有关资料表明,国内有些单位已经研制出比能量为10Wh/kg、比功率为600W/kg的高能量型及比能量为5Wh/kg、比功率为2500W/kg的高功率型超级电容器样品,循环使用次数可达50,000次以上。性能指标已经达到国际先进水平,成本较国际平均价格有大幅度下降,初步具备应用水平。我们相信,在创新精神的鼓励下,我国超级电容将很快赶上、超过世界先进水平。
超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也有称作“电容电池”。

超级电容属于双电层电容器,它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

超级电容的单位换算

法拉(farad),简称“法”,符号是F

1法拉是电容存储1库仑电量时,两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V

1库仑是1A电流在1s内输运的电量,即1C=1A·S。

1库仑=1安培·秒

1法拉=1安培·秒/伏特

做一下类比:

电瓶(蓄电池)12伏14安时的放电量=14*3600/12=4200法拉(F)

地球的电容值仅有1-2F左右

超级电容与电池比较,有如下特性:

a.超低串联等效电阻(LOWESR),功率密度(powerDensity)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)。

b.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。

c.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。

d.免维护,可密封。

e.温度范围宽-40℃~+70℃,一般电池是-20℃~60℃。

 


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