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超級電容器:制造、應用及未來趨勢

鉅大LARGE  |  點擊量:1973次  |  2019年08月28日  

當前,儲能系統在不同領域內扮演著越來越重要的角色,比較典型的領域如電動交通工具、電力系統等領域。在這種背景下,超級電容器作為一種儲能技術,具有功率密度高、免維護、壽命長等優異性能成為學術界和產業界關注的熱點。近幾年來,超級電容器技術進步較快,尤其在學術界不斷有新的技術突破見諸報道,在學術界支撐下,產業界在生產制造和應用端也取得了較大進展。


對此,儲能聯盟研究部對超級電容器研究現狀和應用情況進行了追蹤,并根據市場應用情況,對超級電容器未來發展趨勢進行預測分析。


(來源:微信公眾號“中關村儲能產業技術聯盟” ID:CNESA_ORG 作者:CNESA孟海星)


超級電容器的制造及應用


與傳統的電化學儲能技術相比,超級電容器具有高輸出功率、快速響應、免維護、長壽命、較寬的工作溫度等優點,可以滿足多個領域要求,目前市場規模及應用領域在不斷增長。本小節將從超級電容器生產制造、市場上典型產品特點介紹、并根據應用領域不同介紹超級電容器市場應用現狀。


一、超級電容器生產制造基礎知識


如前文所述,超級電容器主要由電極、電解質、隔膜、集流體等部分構成,電極的主要作用是存儲能量,隔膜的主要作用是阻止電容器內部電子短路,集流體用于匯集電流并承載電極活性物質。對于超級電容器而言,電極活性物質在集流體表面的附著厚度以及相關工藝將極大的影響超級電容器的性能,是電容器制作的關鍵。


圖1 兩種不同外形的超級電容器示意圖:


(a)圓柱形卷芯極組


(b)Maxwell圓柱形超級電容器


(c)Ioxus軟包裝超級電容器


大多數商業化的超級電容器呈圓柱形狀,如圖1(a)所示,該類超級電容器主要由兩個附著在鋁集流體活性物質的電極卷繞而成,其中隔膜位于兩電極之間,防止形成電子短路,正負極輸出端分別位于卷芯繞組的上下兩端。當卷繞完成后,將制作好的卷芯繞組置于硬殼中,正負輸出端與外殼相連,并注入電解質進行密封,以防雜質對電解質和活性物質造成污染。Maxwell作為全球頂級的超級電容器供應商,擁有最先進的超級電容器制造工藝,是目前全球為數不多的掌握了干法制作超級電容器電極工藝的廠家,基于該項技術于2019年上半年被知名電動車供應商Tesla收購。經過多年發展,公司圓柱形電容器直徑已經實現標準化,產品直徑為60mm,通過調節產品高度,以滿足不同容量的要求。


圓柱形超級電容器生產自動化水平較高,產品制造成本較低,可以滿足不同領域應用。這類超級電容器的主要缺點是散熱性能較差,電容器在大功率充放電時,內部快速產生大量的熱,無法及時通過較厚的電極層進行散熱。盡管超級電容器的效率較高、功率損耗比例較低,但溫度仍然是限制產品實現超高功率充放電的重要因素。


為了提升產品散熱性能,Ioxs設計了另外一種超級電容器,外形如圖1(c)所示,該類超級電容器為軟包裝超級電容器。產品制作工藝與軟包裝鋰離子電池制作工藝類似,采用疊片工藝制作,極性相同的電極平行疊放并連接,通過鋁塑膜實現產品密封。這類產品價格高于圓柱形產品的價格,因其具有優異的散熱性能,適用于超高功率應用場景。


目前降低成本,是超級電容器開發的熱點方向,主要通過低成本材料開發,新型低成本生產工藝研究等方向來降低產品成本。有研究認為,當材料成本下降90%時,超級電容器產品的價格將下降50%。當前一些新的生產工藝處于研究階段,預計在未來幾年內,超級電容器的生產工藝將出現較大突破,屆時產品價格將進一步下降。


二、主流的超級電容器生產廠家及其產品


本節根據市場上超級電容器產品的公開信息,對不同產品供應商提供的產品進行分析。通過對比產品的相關參數,包括電容、電壓、能量密度、功率密度、工作溫度范圍等參數分析產品競性能,表2給出了全球范圍內主流超級電容器供應商部分產品信息。


表2可知,表中的廠家都可以提供對稱類超級電容器,只有韓國Vinatech公司和烏克蘭Yunasko公司生產混合電極超級電容器,加拿大Nesscap 公司可以生產非對稱超級電容器。側面反應出對稱電極超級電容器為超級電容最成熟產品,為大眾類產品。多數生產廠家還可以提供由對稱電極超級電容器單元串并聯形成的標準模組,表2中同時也給出了這些標準模組技術參數。


除此之外,廠家還可以針對用戶的需求生產制造出滿足用戶功率和能量要求的模組,同樣這些定制化的模組也是通過超級電容器單體經過串并聯制作而成。表中松下是唯一一家專注于生產超級電容器及紐扣式超級電容器廠家。


通過表中的技術參數能夠有效的選擇出滿足于某一特定領域或場景需求的超級電容器。首先,表中數據顯示,電容值范圍分布較寬,電容的大小主要由電容器中電極的大小決定,相反額定電壓的大小主要由生產技術決定,而不是由電極大小決定,提升電壓是當前研究的熱點,通過提升電壓可以有效提升產品的能量密度,額定電壓在一定程度上能夠反應產品的性能。盡管表中數據給出的額定電壓(2.3V-3V)范圍較窄,但對能量密度影響較大,例如額定電壓為3V的電容器具有較高的能量密度(7.5KWh/Kg)。與單體相比,標準模組的額定電壓分布較廣,模組是通過單體串并聯形成的,每個生產廠家針對的領域不同,采取串并聯策略也不盡相同,最終導致不同廠家生產的模組額定電壓不同。


表中數據顯示,超級電容器的能量密度和功率密度之間存在一定關聯,功率密度較高的產品,往往能量密度較低。同時模塊的能量密度和功率密度低于超級電容器單體的能量密度和功率密度,主要是由于產品在串并聯時,會有新的部件引入,包括連接件、防護件等其它部件,占有一定質量,導致模組的能量密度和功率密度下降。比較不同技術類型的超級電容器能量密度,明顯可以看出對稱電極超級電容器最大的能量密度為7.5Wh/Kg,非對稱電極電容器及混合電極電容器的能量密度分別為8.8Wh/Kg、37Wh/Kg。功率密度表現剛好相反,其中對稱電極超級電容器的功率密度最高為41KW/Kg,非對稱超級電容器及混合電容器分別為6.2KW/Kg、4KW/Kg。


與其它電化學儲能技術相比,尤其是與鋰離子電池、鉛酸電池相比,超級電容器表現出較寬的工作溫度范圍,其中混合電極超級電容器工作溫度范圍為-25℃-60℃,盡管是工作溫度范圍最窄的一類超級電容器,也超過了傳統鋰離子電池、鉛酸電池的工作溫度范圍。


三、超級電容器工程應用


1.交通運輸領域內應用


超級電容器在軌道交通領域內應用較為成熟,可以通過實現電力牽引再生制動,并穩定接觸網電壓,節約電力能源,保障電力系統穩定供電。最早2001年及2003年分別在科隆和馬德里由西門子使用Maxwell型號為1344超級電容器設計的軌道用存儲系統SITRAS SES。另一個典型案例在賓夕法尼亞州南部,當地火車每天要經過上千次的制動與加速,這些過程持續時間為15s-20s之間,運輸局安裝了一個超級電容器儲能系統,該系統通過檢測接觸網電壓變化,進行充放電,每年可節省10%-20%的電力,并為系統提供800KW的快速響應,作為一項付費服務項目每年可帶來20萬美元的收益。


城市公共汽車是超級電容器另一個重要市場,公共汽車頻繁啟停這種運行條件,非常適合超級電容器應用。超級電容器在該領域內的應用主要是通過與電池儲能系統聯合或者超級電容器作為獨立儲能系統,所存儲的能量能夠維持車倆運行到下一站,并在下一站進行充電兩種方式進行應用。


除了鐵路系統以及公共交通領域,超級電容器在商用車中(燃料電池、混合動力、純電動)應用也呈現增長趨勢,典型的案例包括馬自達i-ELOOP商用車,采用超級電容器回收剎車產生的制動能量,可節省10%燃料。此外超級電容器供應商IOXUS可以提供用于替代傳統內燃機汽車啟動電池的超級電容器。另外,超級電容器還用于標致e-HDI等微混混合動力電動車以及豐田強混動力電動汽車中。


當前,航天特種工業正向電動化方向發展,越來越多的電氣裝置被提出用于航天特種領域,如飛機應急電源。超級電容器可以作為高功率儲能設備與ESS儲能系統相結合,搭建混合ESS儲能系統,滿足設備高功率要求。


2.能源領域


超級電容器具有免維護、長壽命、高功率、能夠滿足極端氣候要求等特點。對可再生能源等相關領域具有較大的吸引力。超級電容器在可再生能源系統中主要用途是用于風力發電渦輪機的變槳控制,根據Maxwell提供數據顯示,20%-30%的風力發電配置了超級電容器變槳控制系統,30%-45%的風力發電機組配備了電池儲能系統。


微電網通常配備可再生能源發電機,微電網并網在當前通常收到一定的限制,避免減少微電網對電網造成干擾。因此選擇合適的ESS及其管理策略具有重要意義。超級電容器具有改善電池儲能系統一些缺陷,提升電池放電功率等性能,可以聯合電池儲能系統用于微電網中。另外,超級電容器可用于獨立的微電網,以提供高彈性、快速響應等服務。如在國外某大學微網系統由82Wh超級電容器儲能系統與40KWh氫能發電系統構成,其中超級電容器儲能系統由三個麥克斯韋爾BMOD0083型號的超級電容器構成。超級電容器可以幫助系統滿足頻率為幾赫茲的電力需求。使系統具有更高的效率,并延長了燃料電池使用壽命。另外2013年在西班牙拉帕爾馬小島微電網中也配備了超級電容器儲能系統,系統最大放電4MW,容量為5.5KWh;上海洋山深水港,港口23臺起重機對電網沖擊較大,為了降低起重機對電網的沖擊,安裝了一個3MW/17.2KWh的超級電容器儲能系統,作為后備源,可以持續提供20s電力供應。


3.工業領域


工業領域內,超級電容器可以用于叉車、鏟車、農業機械、采礦鏟、港口起重機和工業激光器等設施。這些設施中,叉車的增長最快,叉車一般使用電池儲能系統或者燃料電池系統為其提供動力,超級電容器儲能系統可以作為輔助動力提供系統,支持系統實現較大功率放電,并在制動時回收相關能量。


2007年小松上市的叉車中安轉了超級電容器儲能系統;在港口起重機中,配備了超級電容器的起重機可以從制動和下降操作中回收能量,能夠節約20%左右的燃料,同時超級電容器可以提供較大的放電功率,可以輔助發動機,大大降低發動機功率;挖掘機作為大型機械設備,需要較高的輸出功率,超級電容器與柴油機聯合,可以支持設備提供更高的輸出功率。2007年小松推出一款型號為PC2008挖掘機,柴油機為挖掘機提供主要動力,設備上部轉盤使用了電機,與超級電容器相連,超級電容器為轉盤提供能源支持,并在減速制動時回收相關能量,實際使用中因轉盤使用頻率較高,可節省41%的燃油;2012年卡特彼勒推出一款液壓混合動力系統挖掘機,型號為Cat R 6120B H FS,設備中超級電容器儲能系統可以從駕駛室轉動減速及自動臂的下降過程中回收能量,產品說明中介紹超級電容器系統可以節約25%的燃油。


4. 電子產品領域


消費電子產品與上述應用領域不同,對超級電容器的要求,其中對超級電容器產品的體積尤為敏感。消費類電子產品市場呈現多樣化,歸納總結,超級電容器在這些產品中的用途主要可以分為4類:


(1)存儲器中適時儲存備用電源,主要用于固態硬盤中;


(2)主電源故障后備份電源;


(3)超級電容器替代電池作為儲能系統,典型的包括手電筒用電源以及太陽能搜集系統;


(4)在高負載系統中做主能源系統輔助供能系統,2013年意法半導體推出集成攝像機控制系統中使用了超級電容器。


超級電容器的發展趨勢


通過超級電容器的市場應用分析可知,當前超級電容器受限于能量密度較低,主要作為輔助動力源應用,而作為主動力源應用較少。超級電容器市場應用領域想要取得較大的突破,依賴于未來超級電容器技術的不斷突破,根據文章分析認為超級電容器發展趨勢有以下幾方面:


(1)低成本、高能量密度,未來超級電容器作為設備或系統的主要動力源,高能量密度及低成本是必由之路;


(2)超高功率密度、低維護成本、長壽命。超級電容器向更高功率密度、免維護、長壽命發展將在一定程度上可以彌補產品能量密度較低的短板,能夠在某些特殊領域中進一步擴大市場占有率,有機體系超級電容器有望率先實現超高功率突破;


(3)超級電容器在不同應用領域中的老化機理研究以及超級電容器儲能系統控制策略研究,將是超級電容器另一研究熱點,有助于優化超級電容器儲能系統設計,最大限度降低系統設計時給使用過程中帶來不利因素。


如果以上幾方面技術出現較大突破,那么超級電容器與電池儲能相比將在功率密度、維護成本、使用壽命及環境適應性方面具有較大優勢,將會成為電氣、電力、電子等行業儲能系統的理想選擇。


原標題:超級電容器:制造、應用及未來趨勢


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