超級電容技術原理及在電動車上的應用

1.引 言
　　超級電容器也屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。傳統物理電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離，兩塊極板之間為真空（相對介電常數為1）或一層介電物質（相對介電常數為ε）所隔離，電容值為： 
　C = ε?A / 3.6 πd ?10-6 （μF） 
　其中A為極板面積，d為介質厚度 
　所儲存的能量為： 
　E = 1/2 C （ΔV）2 
　 其中C為電容值，ΔV為極板間的電壓降。可見，若想獲得較大的電容量、儲存更多的能量，必須增大面積A或減少介質厚度d。 
　 雙電層電容器中，采用活性炭材料制作成多孔電極，同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而電解質溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個集電層，相當于兩個電容器串聯，如圖所示： 
　由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積（即獲得了極大的電極面積A），而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm（即獲得了極小的介質厚度d），根據前面的計算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統的物理電容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能。 
2.產品分類： 
　　超級電容器完全不同于傳統的電解電容器，由于特殊的原材料、特殊的制作方法，其單體容量能夠超過傳統電容器的1000倍以上，在0.6升的體積內就能夠達到10000F以上的容量，兼具電池與電容的雙重特性，成為一種性能極佳的動力電源。超級電容器滿足了市場對高頻率、大強度、高循環次數、并符合環保政策的動力電源的需求，在機械、電子、汽車、太陽能等領域有著極好的發展前景。 
　　根據使用目的不同，超級電容器可以分為以下兩類： 
　　（1）啟動型超級電容器：即輕型的超級電容器，可以輸出幾秒到幾十秒的瞬間大電流，承擔設備啟動所需要的大功率電能，常用于各類電動汽車和重型機械設備中，單體容量50F以上，50000F以下，可幾個到幾百個串聯使用，組件電壓從12VDC直到700VDC以上； 
　　（2）牽引型超級電容器：即重型的超級電容器，可以連續幾分鐘到幾十分鐘輸出較高強度的電流，在許多場合可以替代傳統的蓄電池承擔設備驅動所需的電能供應工作，常用于各類電動汽車、機械設備、太陽能系統和電子電器中，單體容量最高可達到100000F以上，可以幾個到幾百個串并聯使用，組件電壓從12VDC直到800VDC以上； 
3. 產品特性： 
　　
　　產品的技術特性 
　　（1）充電速度快，充電10秒～10分鐘可達到其額定容量的95％以上； 
　　（2）循環使用壽命長，深度充放電循環使用次數可達1～50萬次； 
　　（3）能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環效率≥90%； 
　　（4）功率密度高，可達300W/KG～5000W/KG，相當于電池的5～10倍； 
　　（5）產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環保電源； 
　　（6）安全系數高，長期使用免維護； 
　　（7）超低溫特性好，可工作于攝氏零下30℃的環境中； 
　　（8）檢測方便，剩余電量可直接讀出。 
4.產品應用： 
　　（1）作為固定線路電動汽車的主電源，提供短途行駛所需要的能量； 
　　（2）作為燃料電池電動車的輔助動力電源，與燃料電池主電源形成混合動力，提供瞬間大功率（啟動、爬坡、加速時）并回收剎車能量，起到重要的功率平衡作用； 
　　（3）作為車輛、機械、船舶等設備中燃油發動機的輔助電源，形成油電混合動力，大幅度降低燃油的消耗、提高發動機峰值功率并減少有害氣體排放； 
　　（4）作為電池型電動工具的主電源，提供短時驅動的能量； 
　　（5）作為太陽能、風能發電系統中的永久性蓄能裝置； 
　　（6）作為電站直流操作電源、高壓環網功率補償電源等； 
　　（7）在電子電器（汽車音響、儀器儀表、家用電器、手機、電腦、數碼相機……）中作為備用電池或主電池； ……