沉默的超级电容

日期:2018-11-06

作者:            Patrick Le Fèvre, PRBX, 首席市场营销和通讯部专员

从能源采集到发电厂,电力电子的应用无处不在,没有一种应用不需要电力。电力电子工业是变化多端的,许多以前无法实现的在新技术的应用下都实现了。在不断寻求提高性能、可靠性和可持续性的过程中,新的元件和技术,如宽带隙半导体和数字电源管理,受到了广泛的关注和报道。然而,后方的元件也是非常重要的,在许多重要的应用中都涉及到,它就是超级电容。
超级电容几乎无处不在,或许是因为它们被视为技术含量低的被动元件,它们很少出现在舞台前端。是时候让他们重新回到聚光灯下了,让我们来回顾一下在无声电源背后的超级电容的惊人的故事和技术。
从Howard Becker 到 Elon Musk
在五十年代早期,电容由浸渍纸和云母制成时,通用电气研究了如何提高它们储存和释放更高能量的能力,以及如何能够吸收电子产品和绝密军事应用中的电压畸变。这项研究由Howard I. Becker和他的团队进行,他们于1954年4月14日申请了一项使用多孔碳电极的“低压电解电容”的专利。1957年7月23日,获得US2800616A专利批准,为进一步创新开辟了道路。Becker的发明开启了实验室间的竞赛,将这项发明转化为能够大规模生产的具有更高的性能水的元件 (例如,1958年,飞利浦公司获得了一项生产电解电容电极的工艺专利) ,至此电解电容诞生了。
虽然电解电容器的发明是电子行业向前迈出的重要一步, 但是它的储存能力还不足,比如稳定电网或国防工业中要求提供极高的能源。又经过六年的研究, 在1966年11月29日,Becker的专利授予了标准石油公司的工程师Robert A. Rightmire,US3288641A专利“电能存储装置”的描述为:“一个在静电条件下存储能源的的设备,双层电子-离子和质子-离子对接… ”超级电容器诞生了……
有趣的是,又过了10年,这项发明才成为市场现实。
由于它有短时间内储存和释放大量能量的能力,电动汽车在研究超级电容领域取得好成绩,发明和专利的数量也直线上升。在电动汽车上最重要的应用是储存减速和刹车时产生的能量,以便在加速时重新利用这些能量为发动机提供动力。超级电容的潜力引起了关注,在2011年3月旧金山的清洁技术论坛上,关于电动汽车的未来, Elon Musk说,“如果我作出预测,我认为现在有个很好的机会,不是关于电池,而是在将来超级电容给电动汽车充电。 ”为了提醒我们自己,Musk最初来到加州是为了在斯坦福大学学习高能密度电容物理学。他的演讲引发了人们对超级电容潜力的大量猜测,他们认为超级电容将是大规模储能的解决方案,最终将取代电池。但现实情况有所不同,从Becker和Rightmire的最初的专利申请时间到今天,超级电容器的技术在一定程度上是在“幕后”沉默中发展的。
它将如何工作
正如我们在学校里所学的那样,电容是由用绝缘体隔开的两块金属板或导体组成, (如空气或塑料或陶瓷制成的薄膜)。在充电过程中,电子聚集在一根导体上而离开另一根导体。使用常规的制造方法,传统电容的储能受到物理定律的限制, Robert A. Rightmire的发明为高储能开辟了新天地。
超级电容电池基本上由两个电极、一个分离器和一个电解质组成。电极由金属集电极组成,金属集电极是高导电部分,表面材料大多是活性材料 (金属氧化物、碳和石墨是最常用的材料) 。两个电极由一层膜隔开,该膜允许带电离子的移动,但禁止电导。系统浸透了电解质 (图1) 。两个碳板和分离器的几何尺寸的设计使它们具有很高的表面积。由于它的结构,高多孔碳可以比任何其他电解电容器存储更多的能量。
 

 
图1:超级电容基本上由两个电极、一个分离器和一个电解质组成。
 
当电压作用于正极时,它从电解液中吸引负离子,当电压作用于负极时,它从电解液中吸引正离子。因此,离子层在平板的两侧形成,形成所谓的“双层”,导致离子被储存在靠近碳表面的地方。这种机制使超级电容器能够在很短的时间内储存和恢复高能量。
主动部分的表面是超级电容容量的关键,如我们所知,增加表面积将增加容量。超级电容技术中特别有趣和令人兴奋的是纳米技术的引入所提供的可能性。一个案例是用数十亿纳米管的薄层取代传统的活性炭层。每个纳米管就像一个直径5纳米、长100微米的圆柱体,垂直生长在导电电极上,通过使用数十亿纳米的纳米管,就有可能达到极高的密度。
超级电容会取代电池吗?
Elon Musk在2011年清洁技术论坛上的演讲之后,人们对超级电容产生了浓厚兴趣。毫无疑问,纳米技术的潜力让人们对未来某个时刻超级电容的性能可能达到与电池同等的水平抱有很高的期望。如图2所示,不同类型储能设备的能量与功率密度的关系,目前燃料电池、电池、超级电容和常规电容的性能水平没有重叠。然而,它们是互补的,而且最近的技术进步正在减少电池和超级电容之间的差距。
 

 
图2 :不同类型储能装置的能量与功率密度之比
 
然而,最近的技术进步正在缩减电池和超级电容之间的差距。
每一种技术都有其优缺点,电力设计人员在开发电力系统时都会考虑到这些优点和缺点。在图3我们比较锂离子电池和超级电容的关键参数,很明显,超级电容的主要好处之一是它极高的循环性,这意味着它几乎可以充电和放电无数次,这对于电池来说是不大可能的,它的生命周期要短得多。
 

图3:锂离子电池与超级电容器关键参数的比较
 
老化也有利于超级电容。在正常情况下,10年时间只损耗20%,这远远超过了任何电池所达到的水平。系统工程师对于必须在恶劣环境下为系统提供动力的情况,超级电容可以在温差非常大的环境中工作,而不会发生退化,我们知道电池的情况并非如此。在缺点方面,超级电容在30到40天内放电从100%到50%,而铅和锂基电池在同一时间内自放电约5%,但技术每天都在改进,超级电容变得越来越好。
随着可再生能源需求的不断增长以及与能源储存有关的问题,人们对建造大量锂离子电池的理由提出了越来越多的疑问。我们都知道这些电池的使用寿命是有限的,但是除了消耗珍贵的原材料外,它们也不容易回收,而且还会带来环境风险。这正是这项研究感兴趣的,萨里大学和布里斯托尔大学于2018年2月公布的聚合物材料开发信息也是非常吸引人的。当行业标准为0.3F/cm²时,他们的实际电容值可达4F/ cm²,并有望在不久的将来达到11-20F/ cm²。当达到这样的容量水平时,我们将能够谈论180Wh/kg,就与锂离子电池很接近了。
超级电容的研究是令人印象深刻,差距正在缩小。虽然不知道将来什么时候会实现,但考虑到申请专利的数量、提交的论文数量和行业兴趣水平,这不会花太长时间。
他们默默地做着这项工作
超级电容几乎无处不在,几乎不可能列出一份详尽的应用清单。从上海公交实验到仅靠超级电容供电的公交车队,再到智能电表和能源采集,它们无处不在。
可以肯定的是,它们维持高充放电周期的能力,使它们成为私人和公共电动汽车以及港口起重机等机械积累和再利用能源的理想选择。但在许多应用中,当设计师需要峰值功率时,它们就会出现。
如果你是一个音响发烧友,当Ferruccio Furlanetto在Don Quichotte里大声吹出深沉的音符时,你的音频放大器可能包含一个超级电容组,它可以将峰值功率传送到你的低音扬声器。如果你家里有一个智能电表,它很可能包含一个超级电容,能够在通过GPRS模块传输存储数据时发送峰值功率。又比如,如果你是兰博基尼“Terzo Millennio”项目的技术专家,你就会注意到超级电容在这款非常特别的电动跑车的机动化过程中扮演了多么重要的角色。
安全是超级电容器的另一个优点,这就是为什么在受限环境中需要备份或峰值功率时,超级电容器是首选。在恶劣或封闭环境中运行的关键应用程序严格按照化学和其他危险风险进行管理,减少或禁止某些类型的电池,如锂离子电池。出于安全原因,这些应用必须有足够长的电源备份以运行警报和安全关闭进程。在如此恶劣的环境下,传统的电池被超级电容组所取代,其容值从几个法拉到200法拉不等(图4)。
 

 
图4:PRBX 29F  在高要求的应用中,超级电容器的峰值能量和备份可以代替电池。
 
接下来会是什么呢?
正如我们所见,超级电容技术的发展非常快。储能问题带来的挑战,很可能通过将纳米技术应用在超级电容上来实现。
结束这篇文章的一个例子是由中佛罗里达大学进行的一项非常有趣的研究,该研究将配电电缆与超级电容的容量相结合。纳米科学技术中心的助理教授Jayan Thomas发现了一种改进普通铜线的方法,将它转换成超级电容电缆。基于纳米晶须技术,它可以将标准铜线转换成能够存储和传输大量电能的超级电容。
因此在某种程度上,超级电容正成为未来最有前途的元件。许多电力设计师已经在应用超级电容提供的电力解决方案,但考虑到研究的速度之快以及人类因气候变化而面临的巨大挑战,在不久的将来,超级电容将成为现代电力解决方案的核心。
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