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電容作為儲能介質有哪些缺點?

鉅大LARGE  |  點擊量:1103次  |  2019年03月26日  

電容的儲電量確實和電壓平方成正比,。所以均衡功率輸出的時候,放電曲線會是這樣子。前一階段電壓下降比較慢,后面逐漸加速越來越快,直到降低到某個不可用的電壓之下。這個曲線確實沒有電池放電曲線平緩。

不過非常成熟的DC-DC電路早就解決了這個問題。比如這個TI的芯片BQ25504BatteryManagementProducts,在輸入電壓為80mV到3V之間的時候,能產生3V恒定的直流輸出。這種芯片大量購買只有1美元左右——技術完全不是問題。

電容特別是超級電容沒有能廣泛地替代電池作為儲能工具,前面答題的各位知友提到一些能量密度和價格,但是還有很多更重要的原因在“儲能”之外。我在這里總結一下:

前面知友提到的:

電容的能量密度太小,一般電解質電容只有每公斤不到1Wh,即使是超級電容每公斤也只能存儲最多10Wh,而鋰電池可以達到前者的幾百倍,后者的10~30倍。單位體積的儲能也有類似的比例——顯然電容不適合需要輕便小巧電源的應用。

成本太高,每千瓦時需要2000~5000美元,相比之下鋰電池的成本只有500~1000美元。即使是不在乎體積和重量的應用,初期在超級電容上的投資也是相當大的負擔。還有沒有提到的:

超級電容的最高電壓太低,雖然超級電容能量密度比較高,但是最高充電電壓非常低,通常只有2.5V左右。這就意味著有的應用如果需要高達100V的電壓(比如電動汽車),需要相當多這樣的電容串聯起來。給10個同型號串聯電容加上25V電壓,由于個體差異每個電容上的電壓都會略高或略低于3V。那些高于2.5V的電容會更早失效,降低整個供電系統的壽命。可以改進的是對每個電容單獨做充放電電路,但這會顯著增加整個系統的成本。

自放電太快,電容通常在一兩小時到半個月內會通過自放電漏光50%電能,所以作為長時間儲能的應用電容是不合適的。安全性不高,電容由于內阻非常低,在短路時候會產生非常強的放電電流,甚至引起強烈爆炸。大量對可靠性安全性要求高的應用無法考慮大電容。比如有防爆安全認證的設備通常都需要改造電路中過大的電容。雖然超級電容有這么多缺點,仍然有許多合適的應用領域廣泛使用了超級電容,特別是超級電容和電池的結合。目前除了大量用于消費類電子產品替代電解質電容(更小更輕),其他最大的市場在下面幾個領域:

交通:比如這個電動公交車,車頂的超級電容能夠在加速時快速放電,在剎車時回收能量。這樣即使頻繁加速、剎車也不會影響電池壽命。

新能源:大部分綠色能源如風能、潮汐能、太陽能等等都有劇烈變化的特點。不僅一天之內各個時間段差別巨大,而且前一分鐘和后一分鐘也差別巨大。由于這種變化太過頻繁(如下圖),用一般的充電電池做儲能設備幾天就報廢了,而超級電容則可以通過暫時存儲幾分鐘的能量,讓整個曲線變得非常平滑。

除此以外在工業上也有廣泛的用途,主要用來平滑短暫的功耗波動,比如用于啟動大功率電機。

所有這些應用都不是我們日常能看到的,所以會給人印象超級電容好像很少用于能量存儲。實際上上述領域的應用規模比消費電子要大得多。

特別要指出的是,電池技術進步的速度遠遠比超級電容要慢,一個3000F的超級電容,從2000年的5000美元已經降低到現在的50美元,降低了100倍;而同樣時間內的相同容量的電池價格只降低5~6倍。所以隨著技術的進步,超級電容將會有越來越多的應用。下圖是IDTech給出的市場預測,單位是十億美元。

所有技術都有一定的局限性,發明一樣新技術當然是創新,但是要讓一個新技術成長成熟,需要首先要找到那些合適的應用,并用合適的商業模式開始掙錢。超級電容走的路,其實和電動汽車一樣(私貨:中國是否適合發展純電動汽車),先在小眾應用中尋求突破,再逐漸擴展到大眾市場。

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