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超級(jí)電容器的現(xiàn)狀及應(yīng)用
超級(jí)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(duì)研制全密封超級(jí)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(jí)電容器已開展了大量研究工作,
圖1 雙電層超級(jí)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(chǔ)能器件的性能比較
| 電化學(xué)儲(chǔ)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(jí)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(jí)電容器適用于需要大功率的啟動(dòng)動(dòng)力的場合。日本松下公司的圓柱型超級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)電容器方面的研究也很活躍。
表3 列出了目前國外超級(jí)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)
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鋁箔、碳布
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3V,1000～2700F
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Superf arad
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瑞典
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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)
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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)
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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(jí)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(jí)電容器因其優(yōu)異特性而使其在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,如用做存儲(chǔ)器、微型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)主板和鐘表等的備用電源;用做電動(dòng)玩具車主電源、內(nèi)燃機(jī)中啟動(dòng)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(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電源的要求引起了全世界范圍對(duì)超級(jí)電容器這一新型儲(chǔ)能裝置的廣泛重視。傳統(tǒng)動(dòng)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(huì)顯著降低電池的壽命。而超級(jí)電容器能較好地滿足電動(dòng)車在啟動(dòng)、加速、爬坡時(shí)對(duì)功率的需求,若與動(dòng)力電池配合使用,則可減少大電流充放電對(duì)電池的傷害,延長電池的使用壽命,同時(shí)還能通過再生制動(dòng)系統(tǒng)將瞬間能量回收于超級(jí)電容器中,提高能量利用率。因而,超級(jí)電容器是近年來電動(dòng)車動(dòng)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(jí)電容器已在各種類型電動(dòng)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(dòng)車FCX-V3和FCX-V4中分別使用了自行開發(fā)研制的超級(jí)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(shí)可在剎車時(shí)回收能量,測試結(jié)果表明,使用超級(jí)電容器時(shí)燃料效率和加速性能均得到明顯提高,啟動(dòng)時(shí)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(dòng)車用超級(jí)電容器的開發(fā)應(yīng)用。
