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法拉电容工作原理,石墨烯助超级电容器取代锂

文章作者:汽车配件信息 上传时间:2019-08-31

为什么有人认为它必将取代锂电池?主要还是从其性能考虑。相比于锂电池,超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长且安全性高。这些似乎都是如今电动车推广困局的解药。

研究人员手持柔性全固态超级电容器演示其性能

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;

金沙990.am 1 法拉电容是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到法拉电容的两个极板上时,与普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负极板存储负电荷,在法拉电容的两极板上电荷产生的电场作用下,在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上,以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫做双电层,因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上电荷不会脱离电解液,法拉电容为正常工作状态,如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将分解,为非正常状态。由于随着法拉电容放电 ,正、负极板上的电荷被外电路泄放,电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出法拉电容的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应。因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同的。

南车株机今年5月单批量交付的世界首列超级电容100%低地板有轨电车,其采用7500F双电层超级电容,寿命长达10年,充放电次数可达100万次。列车每次进站可快速充电,最大充电时间30秒,最快10秒便能完成充电。

  超级电容高于锂电池的安全性能,也在近几年的各类事件中得以彰显。过去一年,波音、苹果、特斯拉等公司都受困于锂电池的安全性,频频引发事件。专家也指出锂电池“本性难移”,很难从技术上弥补其安全性短板。而利用静电电荷存储电能的超级电容本身就保证了其安全性能。

超级电容器的研发工作一直笼罩在电池(主要为镍氢电池、锂电池)的阴影之下。镍氢电池和锂电池的开发因为可以获得来自政府和大投资商的巨额资金支持,技术交流获得极大推动,也更容易聚焦全世界的目光。相比之下,超级电容器却很难得到雄厚的资金支持,技术的进步和发展也就受到很大程度地制约。另外,超级电容器成本高、能量密度低的现状也与锂电池形成鲜明对比,这使它在很多领域备受冷落,在实际应用上却总被电池取代。然而,超级电容器在技术上一旦取得突破,将可对新能源产业的发展产生极大的推动力。

金沙990.am 2 充电速度快,充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上; 循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达1~50万次,没有“记忆效应”; 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[%]; 功率密度高,可达300W/KG~5000W/KG,相当于电池的5~10倍; 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; 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; 超低温特性好,温度范围宽-40℃~ 70℃; 检测方便,剩余电量可直接读出; 容量范围通常0.1F--1000F。

相比于锂电池,超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长且安全性高。这些似乎都是如今电动车推广困局的解药。

  不过,虽然这项技术有望带来变革,但想要生产出工作起来持续、可靠、安全的锂空气电池,还面临一大堆技术挑战。到目前为止,试验证明电极很不稳定。

由于电动汽车频繁启动和停车,使得蓄电池的放电过程变化很大。在正常行驶时,电动汽车从蓄电池中汲取的平均功率相当低,而加速和爬坡时的峰值又相当高。在现有的电动汽车电池技术条件下,蓄电池必须在比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间做出平衡,而难以在一套能源系统上同时追求高比能量、高比功率和长寿命。为了解决电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾,可以考虑采用两套能源系统,其中由主能源提高最佳的续驶里程,而由辅助能源在加速和爬坡时提供短时的辅助动力。辅助能源系统的能量可以直接取自主能源,也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再生的动能,选用超级电容做辅助能。短期内,超级电容极低的比能量使其不可能被单独用作电动汽车能源系统,但用做辅助能量源具有显著优点。在电动汽车上使用的最佳组合为电池-超级电容混合能量系统,对电池的比能量和比功率要求分开。超级电容具有负载均衡作用,电池的放电电流减少使用电池的可利用能量、使用寿命得到显著提高;与电池相比,超级电容可以迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能。超级电容的早和均衡和能量回收作用使车辆的续驶里程得到极大的提高。但系统要对电池、超级电容、电动机和功率逆变器等做综合控制和优化匹配,功率变换器及其控制器的设计应用充分考虑电动机和超级电容之间的匹配。

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石墨烯将助力超级电容取代锂电池?

  目前,备受瞩目的几种电池包括:锂空气电池(更确切地说是锂氧气电池)和锂硫电池。若能做到可以在各种条件下正常工作,锂氧气电池的性能有望比目前的锂离子电池大幅提升,提高整整一个数量级。亚伯拉罕说:“ 这是当前一个非常热门的研究领域。”

值得关注的是,超级电容的寿命长,家用汽车电池的寿命普遍在两三年左右,超级电容则不存在这个问题,甚至超过汽车的寿命。据了解,宇通客车首批在2009年采用超级电容体系的新能源公交车将于2016年底完成了8年的营运使命。

金沙990.am 3 小编结语:以上为大家介绍了法拉电容工作原理及特点,希望对大家有所帮助。如需了解更多相关知识,请继续关注齐家网资讯平台。后续将为大家呈上更多精彩内容。

在锂电池行业正享受着众星捧月般追逐的时候,其潜在的一个对手已悄然走近,虎视眈眈,它就是超级电容。

  所谓超级电容,是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。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。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”。

超级电容器将迎来发展机遇

法拉电容主要由极化电极、集电极、电解液、隔膜、引线和封装材料几部分组成。电极材料、电解质的组成、隔膜质量以及电极制造技术对法拉电容的性能有决定性的影响。接下来小编为大家介绍一下法拉电容的工作原理及特点。

所谓超级电容,是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。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。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”。

  的确,大众汽车公司最近暗示,它在研究锂空气电池。由于开发工作还没有最终完成,大众采用的具体的化学/材料组合还没有透露。这家公司的工程师们甚至不愿表示这项技术已在汽车中进行了测试,还是仍处在“实验台”阶段。

从整个技术体系发展来说,储能器件存在能量密度和功率密度两方特性的博弈,通常能量密度特性好,功率密度特性就差些。常规锂电池能量好,功率差,适合长时间的输出;而超级电容功率好,适合短时间高功率的输出。

在汽车零部件领域,如音响、电动座椅、空调、转向和制动等,经常都会看到法拉电容的身影。法拉电容器属于双电层电容器,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。

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 最先问世的是铅酸电池,这种电池今天仍然广泛应用于汽车,它们个头庞大。接着出现了镍镉(NiCad)电池,这种可充电电池由此开启了便携式技术唱主角的新时代:笔记本电脑和手机等移动设备,还有我们小时候的遥控汽车。再后来出现了镍氢(NiMH)电池,电池容量或能量密度大概翻了一番。现在,现代化的设备和电动汽车普遍使用锂离子(Li-ion)电池。

和铝电解电容器相比,它内阻较大,因而不可以用于交流电路;

近期,市场调研公司IDTechEx提出了一个大胆论断——超级电容器将会摧毁锂离子电池市场。在题为《2014-2024年的超级电容市场》报告中,IDTechEx称,到2024年,全球超级电容器市场价值将达到65亿美元,市场份额增大的同时会吞噬电池市场。

  展望未来,准备迎接名字越来越复杂的电池技术,比如锂镍锰钴氧(LiNiMnCo)电池。这种材料的特性很复杂;眼下,研究人员致力于不仅搞清楚为何这些材料能工作,还要搞清楚如何工作——电子在材料中移动的基本物理原理。

检测方便,剩余电量可直接读出;

【嵌牛提问】:石墨烯将助力超级电容取代锂电池?

循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达1~50万次,没有“记忆效应”;

  近年来,由于看好这一领域广阔的应用前景,中国一些公司也开始积极涉足这一产业。但由于技术壁垒较高,2012年以前,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只有10多家。

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;

【嵌牛导读】:相比于锂电池,超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长且安全性高。这些似乎都是如今电动车推广困局的解药。

超级电容器将迎来发展机遇

  南车株机今年5月单批量交付的世界首列超级电容100%低地板有轨电车,其采用7500F双电层超级电容,寿命长达10年,充放电次数可达100万次。列车每次进站可快速充电,最大充电时间30秒,最快10秒便能完成充电。

容量范围通常0.1F–1000F 。

  不过,鉴于超级电容可应用于新能源发电、智能电网、新能源汽车、节能建筑、工业节能减排等各个行业,不论十年后是否会替代锂电池,它的用途都决定了它的战略价值。

“超级电容”将成为推荐目录中继动力电池之后又一重要动力系统,2017年1-4批推荐目录中已有6家企业13款客车搭载了超级电容,其中不乏郑州宇通、中通客车、厦门金旅等领头羊,而超级电容和新能源汽车究竟有什么关系呢?

  在最近研究工作之前的数十年中,电池技术已得到了一系列改进。

尴尬中求发展

【嵌牛鼻子】:超级电容,特斯拉

新能源客车是公共交通工具的主体,在新能源客车领域,超级电容器最为广泛的应用于城市混合动力客车制动能量回收系统。由超级电容器模块组成的制动能量回收系统能够吸收并存储车辆在制动时产生的全部动能,当客车启动或加速时将这些能量释放出来,从而使车辆节省油耗,减少排放。

  那么,如何才能生产出性能更好的电池?从最基本层面来说,电池含有正负极、隔板和电解质。许多不同类型的材料可以用作电解质,不同的材料组合让电池可以贮存不同数量的能量。不过,要是材料发生变化,电池续航时间和安全特征也随之变化,所以总是少不了折中办法。锂离子电池大行其道,但发生过锂电池在飞机上短路起火的事件,因而携带受严格限制。任何活性更强或不稳定的电池都有安全隐患。不过,如果设计出最佳的材料组合,有望获得巨大回报。

从目前各厂商的产品来看,超级电容器企业在转型发展的风口浪尖,虽然在风电方面有无法取代的地位,但在新能源行业却缺少企业支撑,而未来随着市场的不断细分,行业技术的不断成熟,各车企在面临双积分和排放量的压力下,超级电容器的应用将会迎来市场的新爆发点。

  在加州另一处,埃隆·马斯克(Elon Musk)创办的特斯拉汽车公司(Tesla Motors)最近提议计划,在尚未披露的美国西南地区新建一家巨型电池工厂(具体厂址成了热议话题)。这个所谓的“千兆工厂”预计造价高达50亿美元,定于2020年生产的锂离子电池可满足50万辆汽车的需求——年产量超过2013年全球年产量。

同时值得庆幸的是,2016年12月份由我国超级电容领域50多家单位联合发起的“中国超级电容产业联盟”正式成立。据了解,中国超级电容产业联盟将在主管部门支持下,为所有致力于超级电容和相关电源的政府部门、企业、高校、科研单位提供一个共同议事,共同发展的平台,势必推动我国超级电容产业发展。

  确切地说,领略汽车业未来。特斯拉、日产聆风和丰田普锐斯或类似的汽车,在路面上比比皆是。电动汽车和混合动力汽车与普通燃油汽车在车流中交相辉映;许多企业、购买中心和家庭也都安装了充电桩。

金沙990.am,发展与机遇

【嵌牛正文】:近期,市场调研公司IDTechEx提出了一个大胆论断——超级电容器将会摧毁锂离子电池市场。在题为《2014-2024年的超级电容市场》报告中,IDTechEx称,到2024年,全球超级电容器市场价值将达到65亿美元,市场份额增大的同时会吞噬电池市场。

超级电容器结构图

姓名:刘哲宁

缺点:如果使用不当会造成电解质泄漏等现象;

  虽然国内外对此的争论颇多,没有达成共识。但相比国内对于锂电池的高度热情,欧美多国的做法更加平衡。以德国为例,其于2008年颁布的《德国国家电动汽车发展计划》中就将超级电容与锂电池的研发放在同样相等的地位。

在汽车工业中,随着碳排放的严格控制,碳积分政策的迅速推进,智能启停控制系统的应用为超级电容器提供了广阔的舞台,在插电式混合动力汽车上的表现尤为突出。

  如果电动汽车厂商们果真如愿以偿,这就是我们在某个时段都会置身于其中的未来;汽车厂商们正不惜投入巨资,让这一幕成为现实。问题是,将小片地区的需求变成全国地区的需求有多容易?

2016年初,国家在三元锂电应用到公共交通工具时,就特别明确了安全问题。从电化学体系来讲,超级电容产品内部没有活泼的金属离子,热透性好,无论是从热失控还是穿刺、燃烧方面的安全性能都相对比较高,在公共交通领域比较适合。

  其中,Maxwell率先尝到了来自中国市场的大蛋糕,据美国投行派杰(Piper Jaffray)分析师Alexander Potter称:宇通公司目前是Maxwell的最大客户,且订单还在加速增长。

超级电容器优缺点

  电动汽车面临的这个问题就是,电池又大又重;因而,安装上去的电池数量很有限。比如说,特斯拉 Model S 的锂电池组平铺在汽车地板上,大概长2米、宽1.2米。在顶级配置车型中,锂电池组提供大约300 英里(482 公里)的行驶里程,之后就需要插入充电桩充电。日产聆风充一次电可以跑 80 英里(128 公里)左右。除此之外,充电过程比起只需加油要慢得多。

目前,国内超级电容生产企业集中度较高。一部分厂商面对超级电容器技术上发育不完全的现状,不敢轻易投资,采取观望策略,期待市场能出现一个涉足此领域并获得成功的例子。另外一部分厂商则坚信,只要超级电容器的生产成本实现大幅下降,仅以当前它的快速充放电特性,就可实现快速普及。

如果你有幸造访美国加州像拉霍亚(La Jolla)这些超级富豪云集的地区,或者去到像芒廷维尤(Mountain View)这些高科技公司扎堆的地方,就有机会领略未来。

超低温特性好,温度范围宽-40℃~ 70℃;

  现今,超级电容由于其能量密度低的短板,主要还扮演着锂电池的配角角色。但由于“万能材料”石墨烯的应用,超级电容替代锂电池的脚步似乎越来越近。

优点:充电速度快,充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上;

  在锂电池行业正享受着众星捧月般追逐的时候,其潜在的一个对手已悄然走近,虎视眈眈,它就是超级电容。

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%;

  不过世界各地的实验室正在努力破解这个难题,试图克服种种缺点。但愿更重视这些“超锂离子”技术,会确保研发过程加快,并从长远来看,确保汽车跑得更快、跑得更远。

功率密度高,可达300W/KG~5000W/KG,相当于电池的5~10倍;

  丹尼尔·亚伯拉罕(Daniel Abraham)是美国阿尔贡国家实验室的材料科学家,他说:“我们阿尔贡国家实验室在研究一些材料,它们有望将电池当前的能量密度提高一倍。我们先梦想或设想想要处理的材料,然后努力在实验室合成材料。”

此外,超级电容应用温度范围广,以数码设备为例,人们在东北地区-10℃以下的露天环境,发现手机很快就没有电了,这是由电池的温度特性决定,但是超级电容的耐低温性能非常好。

  在超级电容器的产业化方面,美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累,目前处于领先地位。如美国的 Maxwell,日本的Nec、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等,这些公司目前占据着全球大部分市场。

超级电容器(Supercapacitors,ultracapacitor),是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。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。

  可是一些人士认为,等到这家工厂破土开张,特斯拉的计划到时似乎就过时了。IHS Automotive是领先的全球汽车业务情报提供商,该公司的高级规划主管菲尔·戈特认为 , 特斯拉的宏伟计划“恐怕考虑欠周”。原因是,正在研发的新技术有望提供更出色的替代技术,解决专家们所说的电动汽车面临的最大阻碍因素之一。

超级电容器将迎来发展机遇

  为什么有人认为它必将取代锂电池?主要还是从其性能考虑。相比于锂电池,超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长且安全性高。这些似乎都是如今电动车推广困局的解药。

国家863计划“节能与新能源汽车”重大项目监理咨询专家组组长王秉刚表示,超级电容器的功率密度较大,具有快充快放特性,作为混合动力客车的一种技术路线,超级电容器非常适合城市公交车的示范运行。

什么是超级电容器

于新能源客车的应用

突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽,是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。

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