超级电池综述

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1、超级电容电池综述随着一年一度的北京车展的到来，2014 年的北京车展上各种车 辆层出不穷，但有一种车辆还是脱颖而出，不再和传统燃油车辆一样 的是，它是靠电驱动的，甚至优于传统车辆的各种性能，他就是特斯 拉。车展人们走马观花，看到的只能车的外表，殊不知这辆高科技的 电动特斯拉的“发动机”却是现在国际上流行但又神秘的超级电容电 池。今天我们揭开这个神秘的超级电容电池的面纱。下面本文在一下 几个方面进行一个小综述。一:超级电池的定义超级电池是美国科学家研制的一种新型电池，它们被称为微型石 墨烯超级电容，其充电和放电速度比普通电池快1000倍，并能够存 储更多的电能。超级电池采用单原子厚度的碳层构成，

2、这项技术能够 在最短时间内对手机和汽车快速充电，能够很容易制造并整合成为器 件，未来有望制造更小的手机。二：超级电池的结构和原理超级电容电池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)所隔离,电容

3、值为:C = &A / 3.6 nd IO -6 (pF)其中A 为极板面积,d为介质厚度。所储存的能量为：E = C (AV)2/2，其 中C为电容值,AV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。超级电容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

4、/ 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 1 00F/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。爭孑L”鬲号負珂寸住锂甘命叢向 ； 耳大白寸右理 堀衣聞宥幸H于1匀匀 好啟持加电电我放日根阴据三：超级电池的特点它的结构和工作原理决

5、定了它的特点和性质，目前超级电池有九 大方面的特点。（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；而现在使用面积最大的铅酸电池充电通常需要 几个小时。（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 年如果 相应地和铅酸电池比较 , 它的使用寿命可达 68 年, 且没有 “记忆 效应”。（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/kg5000W/kg ，相当于普通 电池的数十倍；比能量大大提高，铅酸电池一般只能达到 0.02

6、kWh/kg ，而超级电容电池目前研发已可达 10 kWh/kg ，（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-40C+70C；（ 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 。四：目前国内外的研发状况尽管超级电池有诸多的优点，但是目前国内外对超级电池的研发 进度大不一样，现在制约超级电池研发的关键因素在于制造石墨烯， 由于这种材料的珍贵使得国内研发没有跟上国际。目前石墨烯价格在 2000-500

7、0 元每克，根据品相不同，价格也不同。在国内，根据总部位于北京的新兴产业调研机构最新的研究 结果中国超级电容器行业发展及投资分析报告 2009-2010 版（含 2009-2013 年预测） -动力电源系列报告，国内从事大容量超 级电容器研发的厂家共有 50 多家，然而，能够批量生产并达到 实用化水平的厂家不到 20 家。国内厂商大多生产液体双电层电 容器，重要企业有锦州凯美能源（原锦州富辰、锦州锦容）、北 京集星电子、上海奥威等十多家。锦州凯美能源是国内最大的超 级电容器专业生产厂，主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。北 京集星可生产卷绕型和大型电容器，而上海奥威产品多集中在车 用超级电容器上

8、。在国外 EESTOR 的超级电容器电池技术，已经宣称能 “替代 电化学电池”了。2007 年1月16日，美国一家研制电动汽车储能 装置的 EESTOR 的公司打破沉默，对外宣告了他们 “里程碑”式的 成果：他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收。这一技 术进入成熟的工业生产，他们所研制的新型超级电容器动力系统， 将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电能化学电池。按照 2006 年 4 月发表的专利， 美国 EESTOR 公司这种能量 存储装置，是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上 说，它并不是电池，而是一种超级电容器，它在 5 分钟内充的电 能可以让一个电动车走 500 英里

9、，电费只有 9 美元。而烧汽油的 普通汽车走相同里程则要花费 60 美元。而 EESTOR 开发的超级 电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。 EESTOR 公司负责人声称， 该超级电容器每公斤所存储的能量可 达 0.28 千瓦时，相比之下，每公斤锂电池仅仅是 0.12 千瓦时。根据 EESTOR 公司的声明，新的超级电容器可反复充电 100 万次以上，也不会出现材料降解问题。而且，由于它不是化学电 池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过 热甚至爆炸的任何危险，没有任何安全隐患。美国 EESTOR 公司 的雄心来自其“替代电气化学电池”的专利。EESTOR

10、公司在2004 年就开始计划建造自己的装配线， 进而获得批量生产的技术许可。 从他们的计划看，其装置在生产成本上也有可能比传统锂电池更 具有优势。各国专家说，这一发明的意义相当重大，该突破不仅 从根本上改变了电动车在交通运输中的位置， 也将改进诸如风能、 太阳能等间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性， 满足人们能源安全的需求，减少对石油的依赖。显然该突破也对 下一代锂电池的研制者造成严重威胁。 EESTOR 公司负责人指出 他们的技术不仅适用于小型旅客电动汽车，还能取代 300 马力的 大型汽车。五：超级电池的应用前景超级电容电池作为一种新型的储能元件，兼顾了双电层电容 器和锂离子二

11、次电池的优点， 同时弥补了两者的缺陷 :与传统的双 电层电容器相比，它具有更高的能量密度 ;与电池相比，则具有更 高的功率密度。同时超级电容电池还具有快速充放电、使用寿命 长、对环境友好等众多优点 ,所以其作为一种新的储能器件在很多方面都有广阔的应用前景 ,主要有以下几个方面 :(1) 电动汽车领域与电池相比 ,超容电池比功率大、输出功率大、充电速度快、 刹车再生能量回收效率高、用超容电池作为动力源的电动汽车、 其综合运营成本大大低于用电池作为动力源的电动汽车。根据美 国先进电池联合会提出的电动车发展计划 ,电动车车用电源系统 应满足的要求有 :高比功率(启动、加速、及爬坡性能 )、成本低廉、

12、 高比能量(续航能力 )、可快速充电、安全性好。如刚开始就提到 的特斯拉汽车就用到超级电池来提供动力。(2) 快速启动应用 超级电容电池能够在较短的时间内输出较大的功率，比如汽 车和摩托车上使用的启动型铅酸蓄电池，可以在几秒钟内提供几 十到上百安培的电流，但实际上大部分能量都用不上。若采用超 级电容电池，则正好可以发挥超级电容电池在较短时间输出较大 功率的优点；在内燃机机车上 ,用超级电容电池作为电启动的辅 助装置，可以改善电启动的性能，很适合用在启动频繁的调车机 车上。(3) 峰值脉冲功率方面的应用超级电容电池适用在大功率的脉冲电源方面，尤其是使用在 无线技术的便携式装置，如便携式计算机、采

13、用 GSM 和 GPRS 无线通信的掌上型装置等。正常工作时，电容器提供传输信号时 需要的脉冲电流，而锂离子电池提供稳态电流，这样不仅可以缩 小电源和机体的体积，还可以延长通话时间和电源的使用时间； 超级电容电池在部分停电和电源波动时，还可以维持运作，避免 造成损失，且能够延长便携式装置中的电池的使用寿命。 六：研发超级电池的背景及意义近年来，随着传统能源供应的日益紧张及石油矿产等资源的 严重僵乏，新能源受到人们越来越多的关注。由于不可再生能源 的日益供应紧张，生态环境的日益恶化和人们环保意识的增强 , 探索清洁可再生的新能源己是未来世界的一种必然发展趋势，也 是人类努力研究的方向之一。因此，

14、新能源和可再生的清洁能源 的研制开发 ,对于缓解能源危机、减轻环境污染和实现可持续发展 都具有非常重要的意义，新型化学储能设备在此背景下得到了更 大的发展空间。而又以超级电容电池为代表的能源储存与转换领 域成为研究的热点之一。由于超级电容电池自身的诸多优点， 因此 ,其己成为全球新能 源材料与器件领域关注的热点，引起了各国和很多企业的高度关 注。我们有理由相信超级电容电池研发的率先突破将会在能源器 件领域占领新的制高点，必将会给国家、社会和企业带来巨大的 经济效益；同时对于加速我国能源器件的产业化进程，带动通信 领域、电动汽车行业以及仪器仪表等相关应用行业的发展也将会 具有很重要的现实意义。我们可以预见，超级电容电池技术的成 功突破将会替代现行的二次电池，成为电池的二次革命。