超级电容器国内外应用现状研究
2024-01-08
超级电容器国内外应用现状研究
超级电容器主要由阴阳两电极、电解质溶液、分离器和集流器组成，其中浸在电解液中的分离器使阴阳电极保持分离。超级电容器基于电极/电解液界面的充放电过程进行储能，其储能原理与传统电容器相同，但更适合于能量的快速释放和存储。与传统电容相比，超级电容具有更大的有效表面积，可使其电容量比传统电容提高1万倍，同时还可保持较低的等效串联内阻和高的比功率。根据电荷储存原理的不同，超级电容器可以分为三大类别：双电层电容器（EDLC，electricdou-ble-layercapacitor）、赝电容器（PC，pseu-do-capacitor）以及混合超级电容器（HSC，hy-bridsupercapacitor），根据电极材料的不同以及电容产生原理的不同等可将超级电容器按图1所示进行分类。 双电层电容器利用电极和电解质之间形成的双电层界面来储存电荷，其构造如图2（a）所示。分离器将两电极分离开，充电时正负电荷在两电极表面积累形成电容，放电时积累的电荷重新回到电解液中，并在外电路产生放电电流。目前双电层电容器的电极材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等，具有电导率高、强度高、耐腐蚀、耐高温等特点。赝电容器的电容来源于电极材料与电解质的氧化还原反应，其电极材料主要为金属氧化物、掺杂金属的炭和具有导电性的聚合物，其构造如图2（b）所示。赝电容器的电容产生过程中发生了电子转移，虽然该电化学行为不同于纯静电双电层电容器，但它也不同于电池。赝电容器的电容具有高度的动力学可逆性，其循环伏安图曲线呈现近似矩形的形状，这是一种典型的电容性特征。混合超级电容器是由石墨烯或石墨、活性炭等EDLC电极和金属氧化物、导电聚合物等赝电容电极组成的混合系统。由不同材料的两种不同电极组成的混合超级电容器打破了组成元件各自的特性限制，因此，可以表现出比单个超级电容器更好的电化学性能。混合超级电容器具有更高的工作电位和更大的电容量，比传统电容器以及EDLC和赝电容器高出2~3倍，并可以保持循环稳定性和较高的耐受度。超级电容器由于其储能机理和自身的特性，可以弥补传统电容器与电池之间的空白，兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的优点，各储能元件之间的比较见表1。超级电容器的主要优点包括超过100万次的超长充放电循环寿命、宽广的工作温度范围（-40~70℃）、充电速度快、功率密度高、较低的维护要求等。另外，超级电容器的生产、使用、储存以及拆解过程中均不使用有害化学品或者有毒金属，因此是绿色环保的储能装置。国内的超级电容器发展起步较晚，但在国家对新能源产业的政策支持下，超级电容器取得了飞速的发展，市场规模也迅速增长，近年来中国超级电容器市场规模情况见图3。目前国内主要生产超级电容器的厂家有北京合众汇能、北京集星、上海奥威、东阳光科、中车株洲电力机车、锦州凯美能源等，其技术水平与国外厂商的差距正在逐渐缩小。超级电容器在交通与运输、国防与军事、计算机与内存、工业、电力能源、日常应用等多个领域存在广泛应用，本文结合超级电容器自身的特点对其在各领域的应用现状进行阐述。 超级电容器因充放电速度快、功率密度大、循环寿命长等特点，在汽车行业得到了广泛应用。对于传统燃油汽车，连接到内燃机的超级电容器可以提供瞬时的能量爆发，使汽车得以快速启动。超级电容器的工作温度范围宽，低温性能良好，应用超级电容器作为应急启动电源装置可以解决低温环境下蓄电池难以启动汽车的问题。配备了超级电容启停系统的汽车相比于传统蓄电池启停系统的汽车，可以拥有更低的燃油成本和维护成本以及更高的驾驶体验。 超级电容器作为混合动力汽车的动力源之一时，可以使车辆获得更高的瞬时功率，进而提高车辆的加速性能；在车辆减速制动时，可以对制动能量进行回收，提高车辆的整车经济性。丰田公司的雅力士混合动力汽车和标致雪铁龙便是使用超级电容器对车辆进行启动并获得瞬时大功率，以获得更佳初步加速性能的典型车型， 超级电容器在交通领域的另一个重要应用场景是城市公交客车。由于城市公交客车在行驶工况中启停频繁，频繁的制动刹车会造成大量动能的浪费，不仅使整车经济性下降，同时还会产生较多污染气体。根据城市客车的行驶工况特点，采用超级电容器作为动力源，可对制动能量进行回收，进而提高车辆的经济性。2006年8月上海市在完成老城厢原11路无轨电车基础上进行的全球最早的超级电容公交试点改造。该车采用上海奥威的超级电容器，一次充电公交模式续行里程为7.9km，充满电时间为90s，再生制动能量回收明显。自2014年开始，海格品牌的超级电容公交车先后进入塞尔维亚、奥地利、比利时、以色列等市场，展现出了中国超级电容客车的海外竞争力。有轨电车和地铁列车等重型城市交通车辆对储能装置的要求更高，因此超级电容器在轨道交通方面也获得了较多的应用。2016年8月1日，中国首列完全自主化全线无接触网“超级电容”现代有轨电车，在中车株洲电力机车有限公司下线，如图5（a）所示。该有轨电车可在站台区30s内快速完成充电，一次充电可运行3~5km，制动时能将85%以上的制动能量回收。电力系统分布范围广、环境复杂，大多可再生能源受环境限制较大，输出的功率具有明显的随机性和波动性。超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、受环境温度影响较小等优点，因此非常适合做电力系统的储能装置。为改善电力系统提供的电能质量，需要超级电容储能装置与供电网络并联，如图7所示。当直流母线电流受到干扰而发生波动时，超级电容器可吸收母线波纹峰值功率以调节有功和无功功率的输出，提高系统稳定性与可靠性。太阳能电池在工作过程中由于受环境的影响，输出具有明显的非线性特性，如图8所示。针对太阳能电池的工作特点，通常利用大功率点跟踪技术(MPPT)使其输出功率保持在大值。传统MPPT中的储能系统主要为铅酸蓄电池，但以超级电容器设计的储能系统可以获得更好的动态特性、更高的能量转换效率及系统使用寿命。由超级电容器和蓄电池组成的混合储能光伏发电系统，利用高功率密度的超级电容器快速平抑直流母线功率高频波动分量，延长了蓄电池的使用寿命，同时也发挥了铅蓄电池容量大的优势。
