超級電容電池的工作原理

超級電容電池又叫黃金電容、法拉電容，是通過極化電解質(zhì)來儲能，屬于雙電層電容的一種。超級電容電池的特點(diǎn)是儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，儲能過程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)達(dá)十萬次。超級電容電池一般使用活性碳電極材料，具有吸附面積大，靜電儲存多的特點(diǎn)，主要在新能源汽車中有廣泛使用。

超級電容電池具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。用作起重裝置的電力平衡電源，可提供超大電流的電力;用作車輛啟動電源，啟動效率和可靠性都比傳統(tǒng)的蓄電池高，可以全部或部分替代傳統(tǒng)的蓄電池;用作車輛的牽引能源可以生產(chǎn)電動汽車、替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、改造現(xiàn)有的無軌電車;用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等戰(zhàn)車的順利啟動(尤其是在寒冷的冬季)、作為激光武器的脈沖能源。此外還可用于其他機(jī)電設(shè)備的儲能能源

由于石油資源慢慢枯竭，同時燃燒石油的尾氣排放對環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重(尤其是在大、中城市)，研究替代內(nèi)燃機(jī)的新型能源裝置成了亟待解決的問題。經(jīng)過長時間的進(jìn)行混合動力、燃料電池、化學(xué)電池產(chǎn)品及應(yīng)用的研究與開發(fā)，取得了一定的成效。但是固有的使用壽命短、溫度特性差、化學(xué)電池污染環(huán)境、系統(tǒng)復(fù)雜、造價高昂等缺點(diǎn)，還沒有更好的解決辦法。而超級電容電池以其優(yōu)異的特性揚(yáng)長避短，可以部分或全部替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池代替車輛的動力電源和啟動能源，其延伸用途比傳統(tǒng)化學(xué)電池要更廣泛。世界各國都不遺余力地對超級電容電池進(jìn)行研究與開發(fā)。其中美國、日本和俄羅斯等國家不僅在研發(fā)生產(chǎn)上走在前面，而且還建立了專門的國家管理機(jī)構(gòu)(如：美國的USABC、日本的SUN、俄羅斯的REVA等)，制定國家發(fā)展計(jì)劃，由國家投入巨資和人力，積極推進(jìn)。就超級電容電池技術(shù)水平而言，目前俄羅斯走在世界前面，其產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，并被第17屆國際電動車年會(EVS—17)評為最先進(jìn)產(chǎn)品，日本、德國、法國、英國、澳大利亞等國家也在急起直追，目前各國推廣應(yīng)用超級電容電池的領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛。在我國超級電容電池的使用推廣，能夠減少石油消耗，減輕對石油進(jìn)口的依賴，有利于國家石油安全;有效地解決城市尾氣污染和鉛酸電池污染問題。

超級電容電池是建立在德國物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器?；瘜W(xué)電池中插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負(fù)離子在電場的作用下會迅速向兩極運(yùn)動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。

雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大，因此，可在無負(fù)載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過電壓充電的情況，雙電層電容器將會開路而不致?lián)p壞器件，這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時，雙電層電容器與可充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，且充電次數(shù)可達(dá)10E6次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。

超級電容電池的容量比通常的電池容量大得多。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也稱作“電容電池”或說“黃金電池”。超級電容電池也屬于雙電層電容器,它是目前世界上已投入量產(chǎn)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(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量.

傳統(tǒng)電池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(shù)為1)或一層介電物質(zhì)(相對介電常數(shù)為ε)所隔離,電容值為:C=ε·A/3.6πd·10-6(μF)其中A為極板面積,d為介質(zhì)厚度。所儲存的能量為:E=C(ΔV)2/2，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(zhì)厚度d，但這個伸縮空間有限，導(dǎo)致它的儲電量和儲能量較小。超級電容電池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(zhì)溶液,當(dāng)在兩端施加電壓時,相對的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子,而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場作用分別聚集到與正負(fù)極板相對的界面上,從而形成兩個集電層,相當(dāng)于兩個電容器串聯(lián),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(zhì)厚度d),根據(jù)前面的計(jì)算公式可以看出,這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,從而使單位重量的電容量可達(dá)100F/g，并且電容的內(nèi)阻還能保持在很低的水平，碳材料還具有成本低，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。從而使利用電容器進(jìn)行大電量的儲能成為可能，且在實(shí)際使用時，可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)以提高輸出電壓或電流。

超級電容電池的優(yōu)點(diǎn)：

(1)充電速度快，只要充電幾十秒到幾分鐘就可達(dá)到其額定容量的95%以上;而現(xiàn)在使用面積最大的鉛酸電池充電通常需要幾個小時。

(2)循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬次，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。如果相應(yīng)地和鉛酸電池比較,它的使用壽命可達(dá)68年,且沒有“記憶效應(yīng)”。

(3)大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%;

(4)功率密度高，可達(dá)300W/kg~5000W/kg，相當(dāng)于普通電池的數(shù)十倍;比能量大大提高，鉛酸電池一般只能達(dá)到200W/kg，而超級電容電池目前研發(fā)已可達(dá)10KW/kg，

(5)產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源;

(6)充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù);

(7)超低溫特性好，使用環(huán)境溫度范圍寬達(dá)-40℃～+70℃;

(8)檢測方便，剩余電量可直接讀出;

(9)單體容量范圍通常0.1F–3400F。