超级电容器

作者:信息管理部来源:新材料与产业技术北京研究院

课题介绍

超级电容器作为产品趋于成熟,其应用范围不断拓展,在工艺、消费电子、通讯、医疗、器械、国防、军事装备、交通等领域得到越来越广泛的应用。从小容量的特殊储能到大规模的电力储能,从单独储能到与蓄电池或燃料电池组成的混合储能,超级电容器都展示了独特的优越性。美、欧、日、韩等发达国家和地区对超级电容器的应用进行了卓有成效的研究,可广泛应用于小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源,电动汽车和混合电动汽车,使用超级电容器作为动力源的城市交通动力汽车综合运营成本大大低于采用电池作为动力源的电动汽车以及可再生能源发电系统/分布式电力系统。

超级电容器是一种新概念能量储存器件,其优点如下:

(1) 具有良好的功率密度。超级电容器可以在短时间内释放出几百到几千毫安的电流,其功率密度可达到10kW·kg-1,此特点适合需要短时间内高输出率的场合。

(2) 充电速度快、用时短。超级电容器中的双电层电容器充电是非法拉第过程,是电极表面电荷的快速转移、可逆的过程。在大电流密度下充电,双电层电容器在几十秒至几分钟就完成充电过程。

(3) 活性物质较为稳定,使用寿命长。炭基电容器的理论循环寿命为无穷,而实际上其循环寿命可高达10万次以上的循环,是因为在双电层电容器的充放电过程中发生的电荷转移过程是可逆的,并且活性物质较为稳定。

(4) 低温性能优越,使用温度范围相对较广。其工作温度范围在-40~70℃。

(5) 放置时间长。超级电容器几年不用仍可保留原有的性能指标,即使通过一段时间的自放电到低压,仍能保持其电容量,具有很长的自身寿命。

(6) 具有超大静电容量,并且体积小。实现了超小型化,因而很适合小型设备。

    (7) 绿色环保,对环境友好。特别是炭基超级电容器,价廉易得,可作为绿色环保的新型储能装置。

目前,限制超级电容器应用的关键问题是能量密度偏低,远低于锂电池的能量密度,限制了其应用,特别是高功率、大电流工作时的能量密度通常迅速衰减。提高超级电容器的能量密度是进一步推进其商业应用的关键。

超级电容器中起核心作用的两部分是电极和电解质,同时它们也是对超级电容器的电化学性能进行改良和优化的切入点。

石墨烯基锂离子混合电容器是一种兼具双电层超级电容器高功率特性与较高能量密度特点的电化学储能器件,具有非常好的发展前景。能量密度高达55Wh/L(20.5Wh/kg)、功率密度高达5kW/L,循环性能好(10000次循环容量保持率95%以上)。

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