一電蓄電池與超級電容性能和應用分析
來源: 一電蓄電池   發布時間: 2019-05-06 01:18   605 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px
深圳一電蓄電池

一電蓄電池與超級電容性能和應用分析

目前,主要的儲能裝置有兩大類,蓄電池和超級電容; 
一、概述
一電蓄電池是較為傳統的儲能電池,按正極材料可分以下幾類:鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鎳鋅電池、鋰電池。技術發展到今天,以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池代表了當前最先進、能夠大功率應用的動力蓄電池。在汽車、軌道車輛等方面應用較為廣泛。
超級電容又叫雙電層電容器,是20世紀七八十年代發展起來的一種新型儲能裝置,結構上同普通電解電容非常相似,屬于雙電層電容器。但由于采用活性炭多孔電極和電解質組成了雙電層結構,加上極小的電極間隙,可以獲得超大的容量,可達80000F。目前正處于快速成長期。它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。
表1:蓄電池和超級電容的特性對比 特性對比 蓄電池(鋰電池) 超級電容 能量轉換 化學能電能 電能
內部反應 氧化還原化學反應 極化電解質的物理反應 過程可逆性 充放電過程可逆, 能量轉換有損耗
充放電過程可逆 使用損耗
化學介質活性的降低
負極材料鈍化使得容量衰減 充放電能量轉換損耗正極材料 使用不當造成電解液泄漏 
內部阻抗 充電時內阻下降,放電時內阻上升
低阻抗,根據耐壓要求可調 單體標稱電壓 鋰電池3.0-3.7V
1.2~1.5V左右
受溫度影響 較大,明顯的活性極化溫度關系 工作范圍:-25℃~+45℃ 不大,很小的活性極化 工作范圍:-40℃-+70℃
充放電速度 一般充放電為1~5倍率, 最大放電可達10倍率。 充電電流越大速度越快,
10秒內即能達到額定容量的95%。 充放電時間 一次充滿電5-6小時 單體數秒
功率密度 (W) 低
50-200 W 高,低阻抗帶來高的功率輸出 1000-2000W 能量密度 (Wh) 高
20~100 Wh 低,為蓄電池的1/10, 3-15 Wh 充放電效率 %
>95%
>95% 循環壽命,次 平均約為5000~10000次
大倍率充放電對壽命影響較大 >10萬次 
荷電保持能力 存在低自放電
幾乎不存在自放電 環保 即使采用無害化學材料,仍然具有潛在污染 幾乎不存在化學污染
工程使用 單體的大規模串并聯 單體的大規模并聯,采用均壓措施后可以串聯使用 使用維護
電池密封免維護
徹底免維護

 二、工程應用的主要考量指標 

1、能量密度:單位重量所儲存的總能量多少,與材料有關。綜合重量和能量密度,就可以判斷其是否可以作為純動力源。
2、功率密度:單位重量在放電時可以以何種速率進行能量輸出,表征其放電輸出特性。功率密度高,瞬態釋放能量高,在高功率輸出的時候特別有用。一電蓄電池
3、循環次數:充放電次數,決定了使用壽命和維護成本。

 4、重量體積:決定了其安裝和移動性。
超級電容的能量密度低,可以進行短時短線供能,若通過多個超級電容串并聯,可以提高總能量,但會同時帶來重量、體積的增加。
超級電容功率密度很高,可以提供瞬時高峰能量吸收和輸出,特別適合車輛的起動和制動。
蓄電池循環壽命比超級電容低很多,但是在能量密度上具有非常好的優勢,特別適用于有限空間的應用,如軌道車輛。
表2 關鍵工程指標對比
 磷酸鐵鋰鋰離子電池 雙層結構的超級電容
能量密度 高 低 功率密度 適中 高 循環次數 適中 高 重量體積
適中

 
三、工程應用的優缺分析

 1、蓄電池
優點在于:
1)單體電壓高、能量密度高,適當的重量和體積能帶來較大的能量輸出。

 2)在額定充放電倍率,使用次數和循環壽命較長。 3)采用了無害和環保材料,環境公害很低。

 缺點在于:

1)大電流充放電特性不理想。
2)對過充過放耐受性差,需要精細的管理保護系統。
3)受溫度影響大,高溫下性能惡化并直接影響鋰電池的容量。
4)具有存在爆炸的風險,如是高溫、大電流等。需要多重保護機制。

 5)目前價格較高  目前,蓄電池在軌道交通上,主要作為后備和緊急電源使用,作為主要供能裝置用于短距離的公交、有軌電車運輸也是其新的應用領域。  
2、超級電容 其優點在于:
1)儲存電容量大一電蓄電池。
2)功率密度大,短時大功率充放電能力強。

 3)物理能量轉換,充放電時間短,效率高。
4)充放電循環次數可達50萬次,長使用壽命,除非電流集電極被腐蝕。

 5)具有很寬的工作溫度范圍。
6)理論上較為安全,電容器的高溫會導致電路斷路,而不是爆炸。 其缺點在于:
1)單體電壓低,能量密度低。相比蓄電池,在同樣容量輸出下,需要大量并串聯,必然帶來體積和重量的急劇增加。
2)串聯使用需要采取必要的均壓控制電路,均壓控制電路的設計直接影響中后期超級電容的影響壽命。  目前,超級電容典型的應用為兩種,其一是作為能量儲存裝置,在車輛制動過程中吸收能量,在車輛處于加速牽引過程中釋放能量,其效率和可靠性都比傳統的蓄電池高。其二作為穩壓平衡電源,保持在高容量的狀態,當供電系統的電壓低于規定值時才開始放電。亦可以和蓄電池進行組合并聯使用作為啟動電源,啟動加速時,若蓄電池限定電流不夠,則由超 級電容彌補差額電流,提高總輸出功率;制動時,發電電流超過蓄電池限定電流,則由超級 電容吸收,達到節能的目的。此外,在軍事上,作為脈沖能量。 
四、未來技術發展的方向  電池和超級電容各有優缺點,應用中各有利弊。
目前,大功率動力電池上,一電蓄電池,鋰電池較受業內歡迎,也是目前鋰電池研發的熱點,并在公交車、有軌電車等低功率需求領域進入應用階段,未來鋰電池將主要從正負極材料、電解液、隔膜、內部結構上進行改進,增強其大功率應用和安全性。  超級電容的低能量密度限制了其在車輛上的應用,未來將朝著高能量密度進行改進,主要是從材料入手,提高隔膜的制造水平和電極表面積,使得能夠達到鉛酸蓄電池的能量。  從技術發展上看,超級電容和電池的結合體能夠集兩者的優點于一身,將是新技術發展的方向。該結合體從內部結構上將超級電容和蓄電池2種不同的電極組成雜化超級電容器,亦稱為超級電池。
超級電池實現了兩種儲能方式的性能互補,具有低成本、高能量密度、高能量存儲、循環使用壽命長、環境適應能力強。超級電池的開發應用成功將會帶來革命性的突破。

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