學術干貨丨超級電容器用在何處
化石能源消耗和氣候變化的大環境下，可再生能源的探索、新儲能器件的開發成為現階段引人注目的話題。超級電容器，作為電化學儲能器件的潛力股不斷被提及。為提高超級電容器的儲能性能，研究者對其進行了各方面探究，包括理論層面的儲能機理研究、高儲能電極材料的制備、混合型超級電容器的開發等。很多人會問，這么多研究都有實際應用嗎？下面就主要回答這個問題，超級電容器究竟用在何處[1]。
1.超級電容器的簡介
超級電容器分類，按其儲能機理可分為3種，分別為雙電層電容器（EDLC）、贗電容器和混合型電容器，看圖！而按照電極對稱性有可以分為對稱型和非對稱型兩種。
圖1?超級電容器（電化學電容器）分類[2]。
為什么超級電容器有其獨特的儲能優勢呢？首先，超級電容器利用物理存儲電荷或表面發生快速、可逆的氧化還原反應來實能量存儲，而由于物理存儲電荷不依賴化學反應速率，超級電容器擁有近乎無限的壽命（百萬次充放電循環）。由Ragone圖可知，超級電容器功率密度遠高于鋰離子電池，可達15kW/kg。且具有較寬的工作溫度范圍，因此超級電容器在一些要求高功率的領域有著獨特的應用優勢，倍受青睞。
圖2?不同電化學儲能系統的Ragone圖[3]。
2.超級電容器應用
目前，研究超級電容器的國家主要包括中國、日本、韓國、美國、法國、德國等。在技術水平與制造規模上，亞洲處于暫時領先的地位。我國雖起步較晚，但隨著重視程度的加深，目前研究方面已取得較為顯著的成果，在一些高需求領域已得到良好的應用。超級電容器常見的應用領域包括：消費電子、后備電源、可再生能源發電系統、軌道交通領域、軍事裝備領域、航空航天領域等[4]。應用較為廣泛、具有開發前景的是雙電層電容器和混合型電容器，下文主要介紹與此二者相關的應用。
2.1 雙電層超級電容器的應用
目前EDLC的制作、生產工藝最為成熟，發展前景最為寬廣。國內雙電層電容器生產廠家主要包括中國中車、今朝時代、北京集星、上海奧威、北京合眾匯能、錦州凱美、湖南耐普恩、天津力神等。
可再生能源領域的應用
在可再生能源領域的應用主要包括：風力發電變槳控制，提高風力發電穩定性、連續性，光伏發電的儲能裝置以及與太陽能電池結合應用于路燈、交通指示燈等[5-6]。EDLC因其長壽命、高功率等特性，能夠適應風能和太陽能的大電流波動，提高供電的穩定性和可靠性[7]。
工業領域的應用
主要用于叉車、起重機、電梯、港口起重機械、各種后備電源、電網電力存儲等方面[25]。叉車或起重機啟動時EDLC存儲的能量提其升降瞬時功率損耗。同時儲存在雙電層電容器中的電能可以輔助起重、吊裝，從而減少油的消耗及廢氣排放，并可滿足其它必要的電氣功能[8]。且EDLC能夠實現電梯、港口機械設備等在上升過程中的瞬間提升啟動能量以及下降過程中的勢能回收[9]。
?圖3 EDLC在重型機械領域的應用
EDLC也可用于動力UPS儲能。EDLC可以在數分鐘之內充滿電，其高功率密度輸出特性使其在某些特殊情況下成為良好的應急電源。在重要的數據中心、通信中心、網絡系統、醫療系統等對電源可靠性要求較高的領域，均需采用UPS裝置克服供電電網出現的斷電、浪涌、頻率震蕩、電壓突變、電壓波動等故障。EDLC可克服通常用于UPS裝置中的儲能部件(鉛酸蓄電池、飛輪儲能和燃料電池等[10])在電源出現故障瞬間啟動慢、壽命短、維護費用高的缺點。
EDLC儲能系統可以有效地將負荷低落時產生的多余電能進行儲存，并在負荷高峰時將電能回饋，以調整功率需求。將其作為微電網的能量緩沖環節，可充分地利用負荷低谷時機組的發電，同時可避免安裝發電機組來滿足峰值負荷，避免浪費。由于EDLC優異的性能使得其比蓄電池更適合處理尖峰負荷，能夠提供有效的備用容量改善電力品質，改善系統的可靠度、穩定度[11]。
軌道交通領域的應用
EDLC在軌道交通領域中的應用主要包括有軌電車、地鐵制動能量回收裝置、內燃機車和內燃機動車組啟動以及卡車、重型運輸車等車輛在寒冷地區的低溫啟動等[12]。
圖4 EDLC在軌道交通領域的應用
地鐵列車由于站間距較短，制動頻繁，制動能量相當可觀，采用超級電容作為儲能器件作為制動能量回收裝置，替代制動電阻儲存能量，列車啟動的時候再釋放出來，可實現地鐵節能。由中國中車承擔的863項目中所研發的3V/12000F超級電容器已在儲能式有軌電車和地鐵的能量回饋系統中應用，使能量在儲存轉化與回收方面的效率進一步提高。
內燃機車柴油機的啟動是由鉛酸蓄電池供電，在柴油機開始轉動的瞬間，蓄電池要大電流深度放電，對蓄電池的使用壽命將產生很大影響。蓄電池的使用溫度在20℃以上、壽命低于500次，尤其在環境溫度比較低的情況下因其電流釋放能力下降機車起動會受到影響。相比EDLC使用溫度較寬（40～65℃）、使用壽命超長，可替換鉛酸電池用于內燃機車低溫啟動系統，可在低溫條件下的頻繁啟動，減少了空載待機時間，實現“熄火待命”使用壽命長達10年。
2.2 混合型超級電容器的應用
現用到的電動汽車的動力源主要包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及燃料電池等。這類動力源能量密度高、行駛里程長，但是其存在充放電時間長、倍率性能差、工作壽命短等不足。與之相比，EDLC具有功率大、充電速度快、輸出功率大、制動能量回收效率高的有點。電動汽車或混合動力汽車在加速過程中，二者組成的混合動力系統EDLC可以提供瞬時脈沖功率，極大地減少汽油等燃料的消耗，并且提高電池使用壽命[1]。
混合超級電容器（HSC）在國防、航天航空、汽車工業、通信、電力、鐵路和消費電子等方面應用前景十分廣闊。其具有容量大、能量密度高、循環壽命長、充放電電流大的特點，主要被用作主電源、備用電源以及儲能系統等。
圖5(a)為2006年投入運營的超級電容器作為動力源的上海11路超級電容公交車。圖5(b)為以中國中車生產的混合型電容器為主電源的超級電容公交車，公交客車的超快充續航能力得到提高。圖5(c)所示為湖南耐普恩公司推出的能量型電池電容儲能式路燈，該公司已將混合型超級電容器儲能系統應用于光伏照明工程，將白天光照能量儲存用于夜間照明，實現了全天候照明。充分發揮HSC的長循環壽命、大儲存能量的優點。圖5(d)所示為混合型超級電容器用作地鐵后備電源的實例，功率型電池電容與鉛酸電池能量密度相當，但其充電速度快，壽命是鉛酸電池（400次左右）的幾十倍。
圖5幾種混合型超級電容器的應用
3.展望
隨著對超級電容器研究的不斷深入、技術的不斷發展，因其具有的性能優勢不同類型超級電容器的應用領域將會越來越廣。在各項先進技術的支持下，隨著超級電容器儲能器件的不斷開發，為滿足不同領域、不同使用需求其各項性能指標也在不斷的突破。以高性能超級電容器代替傳統的電化學儲能器件將成為其發展趨勢，為實現綠色、可持續發展做出貢獻。也將逐漸改變人們的生活。
相關文獻
[1] Chen X D, Chen S Y, Qiao Z J, et al.?Applications of supercapacitors [J]. Energy Storage Science and Technology, 2016(6):800-805.
[2] Simon P, Gogotis Y. Materials for electrochemical capacitors[J]. Nature Materials，2008，7(11):845-854.
[3] Francois Beguin, Elzbieta Frackowiak. Supercapacitors: Material, systems, and applications[M]. Beijing：China Machine Press，2014.
[4] Mesemanolis A, Mademlis C, Kioskeridis I. High-efficiencycontrol for a wind energy conversion system with induction generator[J].Energy Conversion, 2012(4): 958-967.
[5] Tang X S, Qi Z P. Study on an actively controlled battery/ultracapacitorhybrid in stand-alone PV system[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2006(3): 37-41.
[6] Abdorreza E, Hossein K, Jamshid A. A review of energy storage systems in microgrids with wind turbines[J]. Renew. Sust. Energ. Rev., 2013(18): 316-326.
[7] Ioannis H, Andreas P, Venizelos E. Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009(6): 1513-1522.
[8] Kim S M, Sul S K. Control of rubber tyred gantry crane with energy storage based onsupercapacitor bank[J]. Power Electronics, 2006(5): 1420-1427.
[9] Kang H B, Yu J L, Qin J, et al. Analysis of the working principle and development trend of UPS[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2009(7): 637-638.
[10] Siddharth S, Fernando M, Joydeep M, et al. Achieving the smart grid through customer-driven microgrids supported by energy storage[J]. Industrial Technology, 2010(3): 884-890.
[11] Siang F T, Chee W T. A review of energy sources and energy management system in electric vehicles[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013(20): 82-102.
[12] Peter C, Tariq M, Kevin C. Cutting vehicle emissions with regenerative braking[J]. Transportation Research Part D: Transport and Environment, 2010(3): 160-167.
本文由材料人編輯部學術干貨組Starkle供稿，材料牛編輯整理。
材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。
材料人網向各大團隊誠心約稿，課題組最新成果、方向總結、團隊訪談、實驗技能等皆可投稿，優秀稿件一經錄用，我們會奉上稿酬，請聯系：郵箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。
文章評論(0)