电动汽车超级电容器的超级电容器在电动汽车上的作用_能源_中国百科网
电动汽车超级电容器的超级电容器在电动汽车上的作用
    电动汽车超级电容器 -超级电容器在电动汽车上的作用 　　由于电动汽车频繁启动和停车，使得的放电过程变化很大。在正常行驶时，电动汽车从中吸取的平均功率相当低，而加速和爬坡时的峰值功率又相当高，一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达到16:1。事实上，电动汽车行驶中，用于加速和爬坡时所消耗的能量占到总能耗的2/3。在现有电池技术条件下，必须在蓄电池比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间做出平衡，而难以在一套能源系统上同时追求高比能量、高比功率和长寿命。为了解决电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾，可以考虑采用两套能源系统，其中由主能源提供最佳的续驶里程，而由辅助能源系统在加速和爬坡时提供短时的辅助动力。辅助能源系统的能量可以直接取自主能源，也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再生的动能。选用超级电容器作辅助能源已引起广泛关注，日本的本田和马自达公司已生产出了以超级电容器作辅助能源的混合动力燃料电池汽车。　　大功率的超级电容器对于电动汽车的启动、加速和上坡行驶具有极其重要的意义，超级电容器极低的比能量使得它不可能单独用作电动汽车能量源，但作为辅助能量使用具有显著优点。在汽车启动和爬坡时快速提供大电流及大功率电流，在正常行驶时由主动力源快速充电，在刹车时快速存储发电机产生的大电流，这可减少电动汽车对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性，对于燃料电池电动汽车的启动更是不可少的。若超级电容器的容量能进一步提高，可望取代电池使用。鉴于电化学超级电容器的重要性，各工业发达国家都给予了高度重视，成为国家重点战略研究和开发项目。如1996年欧共体制定了电动汽车超级电容器的发展计划(Development of Super一capacitor for Electric vehicle ) ,美国能源部(包括美国军方)也制定了相应的发展超级电容器的研究计划，开发目标是要达到1500 W/kg的比功率，循环使用寿命在10000次以上。　　超级电容器在电动汽车中的作用与蓄电池类似。用超级电容器代替电动汽车中蓄电池的汽车较少。本田FCX燃料电池汽车为使用超级电容器的一个实例。。超级电容器仅在启动的瞬间扮演汽车驱动系统主要动力源的角色，而在其他条件下充当的是辅助动力源的角色。可见在低速和启动时，超级电容器
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　　北极星储能网讯:据新华网消息，12月18日，中科院上海硅酸盐所的科学家研制出一种高性能超级电容器电极材料。该材料具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的&超强电池&。相关研究成果已于12月18日发表在世界顶级期刊《科学》上。
　　网络上将该技术突破解读为中国研发出一种石墨烯电池，将超级电容器和电池混为一谈。有网友质疑超级电容器公交车的实用性，怀疑采用最新技术的公交车是否能一次充电就行驶35公里。笔者希望能澄清超级电容器与现在和老百姓生活最为息息相关的锂电池的区别，并简单介绍超级电容器电动公交车的应用现状，最后谈谈对使用新技术的电动公交车的憧憬。
　　什么是超级电容器
　　最简单的电容器是由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。当在两金属电极间加上电压时，电极上就会存储电荷，两金属板分别带等量异种电荷，这个过程中正负电荷会迅速向金属电极移动，也就是充电。当撤除两个金属电极之间的电压后，电容器两极正负电荷通过导线中和，这个过程会产生电流，也就是放电。
　　超级电容器是将导体与电解质接触后，在其表面产生稳定而相性相反的双层电荷，或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷和能量的储存的新型储能装置。在双电层电荷中的电解液以离子形式出现，尺寸在纳米左右，从而使电容器能得到纳米级的电极距离，获得更好的性能。超级电容器的能量存储机制中基本无化学反应的发生，或仅涉及界面层的化学反应，因此具有很高的可逆性，可以保证超级电容器远远高于锂电池的充放电循环性能。
　　超级电容器的基本结构包括两个高比表面积多孔性电极、多孔性隔膜材料以及吸附其中的电解液。隔膜一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜，要求具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导。在每个电极的另一面紧贴有集电极以减少电容器的阻抗损耗。
　　超级电容器的优点
　　正是因为超级电容器独特的结构和工作原理使其拥有三大优点：
　　一是有非常高的功率密度。功率密度可为电池的10&100倍，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得超级电容器非常适用于短时间高功率输出的场合，比如电磁炮。
　　二是充电速度快。超级电容器可采用大电流充电，能十秒至几分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。
　　三是循环寿命长，一般情况下循环充放电次数高达10万次以上。
　　另外，超级电容器与蓄电池并联可应用于各种内燃发动机的电启动系统，能有效保护蓄电池，延长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池容量不足的情况下，确保可靠启动。
　　锂电池和超级电容器的区别
　　电容器本质上存储的是电荷，在放电的时形成电流。而锂电池的储能物质是锂离子，是在充电的时候将电能转化为化学能，在放电的时候将化学能转化为电能。
　　虽然锂电池在能量密度上远强于超级电容器，但在功率密度、充放电速度、循环寿命等方面逊色于超级电容器。
　　另外，某些锂电池在安全性上也存在一定隐患，比如日本松下的钴酸锂电池。
　　钴酸锂电池虽然有着非常高的能量密度比，但安全系数并不高&&钴酸锂电池在一定温度下会释放氧气，氧气导致更加的不稳定，进而恶性循环，更多的氧气导致更加低的起火温度；另外，钴酸锂电池电解液稍有不慎，比如震动、温度升高就会造成电池内部压力升高，然后发生爆炸，而脆弱的电池外壳在受到外力撞击时很容易破裂，导致电解液挥发起火，甚至爆炸。这使得采用只钴酸锂电池串联作为动力的特斯拉深受其害，即便特斯拉汽车改进了电池的排列方式，加固了汽车地盘，添加了保险丝和冷却剂，依旧烧车不断：
　　日，特斯拉ModelS在路边起火燃烧；
　　10月18日，特斯拉ModelS在墨西哥高速行驶时失控，撞击混凝土障碍物后又撞击树木，停止后发生起火、爆炸；
　　11月6日，特斯拉ModelS在美国田纳西州士麦那起火燃烧，田纳西州公路巡逻队称，当天下午这辆电动汽车冲向拖车挂钩，撞击底盘后发生火灾；
　　11月15日，特斯拉ModelS车主把车停在了自家车库里充电，凌晨3点左右突然起火&&
　　在2013年，特斯拉ModelS总计卖出21000余辆，相对于较小的总量，自燃概率着实不低。
　　当然，锂电池当中也有相对比较靠谱的，比如磷酸铁锂电池，虽然能量密度相对于钴酸锂电池低一些。
　　硅酸盐所的新材料到底是啥
　　今年9月，中国科学院上海硅酸盐研究所和北京大学合作研究，崔厚磊、黄富强等研究者发现了一种全新的超级电容器性能优异的氮化铌电极材料&&Nb4N5纳米孔薄膜，Nb4N5属于四方晶系的I4/m空间群，为一种富含Nb空位缺陷的NaCl型结构，具有极佳的电化学储能特性。Nb4N5纳米孔薄膜的制备过程简单，只需对Nb箔在适当条件下进行阳极氧化，随后在NH3气氛中热处理，即可制备出高度有序的Nb4N5纳米孔阵列。XPS分析结果表明Nb4N5同时包含Nb3+和Nb5+，混合价态阳离子的存在不仅产生了法拉第准电容，而且还具备良好的类金属的导电性和异常优异的循环寿命&&2000个循环伏安周期后电容保留率提高到接近100%。
　　更重要的是该技术可作为良好支撑体来沉积其他活性材料，组成复合电极，为开发设计新型的氮化物、氧氮化物超电电极材料提供了良好思路。本次黄富强教授研究团队设计合成的氮掺杂的有序介孔，有可能就是前者的衍生。而且氮掺杂诱生了氧化还原反应，也增加了电化学储能活性，又没有降低材料的高导电率，因而氮掺杂的有序介孔石墨烯具有极佳的电化学储能特性，比容量高达855法拉/克，组装成的对称器件能快速充电和快速放电。
　　一些媒体称之为&石墨烯电池&，其实并不准确，因为氮掺杂的有序介孔石墨烯目前被用于超级电容器，而非锂电池。另外，石墨烯电池并非是对锂电池的革命，因为目前所谓石墨烯电池的储能物质依旧是锂离子&&石墨烯电池仅仅是将锂电池的副极用石墨取代，或者和正极、负极材料复合后，提高锂电池的充放电性能，比如将正极材料LiFePO4、负极材料Li4Ti5O12分别与石墨烯复合，制备了LiFePO4-石墨烯/Li4Ti5O12-石墨烯为电极的柔性锂离子电池，具有高充放电速率。虽然石墨烯材料具有诸多优点，应用前景广泛，但目前网络对石墨烯的神话和炒作已经过犹不及。
　　新电极材料能带来电动车革命吗
　　其实使用超级电容器的电动公交车早已不是新鲜事，早在2013年11月，由中上汽车公司制造的超级电容纯电动公交车就在湖南长沙星沙的101路公交线路上投入运行。据中上汽车公司技术人员介绍，该车三分钟可完成整车充电，一次充电可行驶20公里，最高时速60公里，在下坡和刹车时，车辆可以将下坡释放的势能和刹车制动释放的能量转化为电能为电容充电。自动为电容充电在60℃至零下40℃的温度下仍能正常运行，可反复充电5万次以上。
　　在今年4月，由中国南车株洲电力机车有限公司的30秒闪冲超级电容器电动车在宁波生产基地下线，该车30秒充电后，可行驶5公里，同样具备将下坡释放的势能和刹车制动释放的能量转化为电能的能力，充放电次数可大100万次。
　　从实践的角度看，电动小型车大多采用能量密度较高的锂电池。而超级电容器往往应用于体积较大、可以走走停停到站充电的城市公交车。而采用氮掺杂的有序介孔石墨烯电极材料的超级电容器的能量密度也只有锂电池的一半不到，因此，该并不会对电动小型车带来革命性变革。
　　至于使用新技术的公交车是否能跑35公里，因为涉及电能&&机械能转化，电动公交车的重量、尺寸、载客量和内部空间设计给电容器预留的空间大小，以及所搭载的超级电容器的规格和路况，因而需要具体情况具体分析。
　　北京大学化学与分子工程学院网站的一篇文章认为，&若这种新型石墨烯所制备成水性电解液的超级电器，与目前有机电解液超级电器驱动的公共汽车相比，行驶里程可以从5公里提高至25公里&。
　　笔者也斗胆对于使用的电动公交车做一个类比推测。根据中上汽车的官方资料，超电纯电动客车空载12吨（2吨超级电容），车长12米，座位34个，限客100人，一次充电3-6分钟，行驶距离20公里，其超级电容器的能量密度为10Wh/kg，而使用氮掺杂的有序介孔材料的超级电容器的能量密度可以达到41Wh/kg（基于活性物质为63Wh/kg），虽然和锂电池电动车100&150Wh/kg的能量密度有较大差距，但相对于以往的材料和技术，4-6倍的能量密度提升不可谓不大。如果该使用新技术，那么超级电容器的能量密度将是原来的4-6倍，在其他规格不变的情况下，也就意味着该电动公交车的所载的能源是原来的4-6倍，行驶距离大幅提升是必然的，在不考虑路况等变量因素的情况下，行驶距离从20公里提升到35公里将不再是梦想。
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来源：观察者网
关键词：超级电容 充电 续航
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电动汽车驱动系统中的超级电容原理
来源：本站整理
作者：灰色天空日 10:41
[导读] 超级电容是一种电化学装置，是介于电池和普通电容之间的过渡部件。根据使用电极材料的不同可以把超级电容分为三类：
　　超级电容是一种电化学装置，是介于电池和普通电容之间的过渡部件。其充放电过程高度可逆，可进行高效率(0.85～0.98)的快速(秒级)充放电。其优点还包括比功率高、循环寿命长、免维护等。
　　以前由于超级电容的比能量过低，放电时间太短，难以应用于汽车领域。随着超级电容技术的迅速发展，目前成为汽车领域研究和应用的新热点。超级电容不仅适合用作汽车发动机起动、动力转向等子系统的辅助能源，而且还可以与电池、燃料电池等结合用作电动汽车的辅助能源，从而提高电池寿命，弥补燃料电池比功率不足，最大限度的回收制动能量等。总之，其在汽车领域有十分广阔的应用前景。
　　超级电容的原理与分类
　　准确的说，超级电容应该叫做电化学电容器(Electrochemical Capacitor)。它能提供比电解电容器更高的比能量，比电池更高的比功率和更长的寿命。
　　根据使用电极材料的不同可以把超级电容分为三类：
　　1、 使用碳电极的双电层电容器 (Double Layer Capacitor，DLC)如图1所示，可以把双电层超级电容看成是悬在电解质中的两个非活性多孔板，电压加载到两个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子。从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。
　　图1 双电层超级电容器
　　DLC本质上是一种静电型能量储存方式。所以双电层电容的大小与电极电位和比表面积的大小有关，因而常常使用高比表面积的活性碳作为双电层电容器的电极材料，从而增加电容量。例如，活性碳在经过特定的化学处理后，表面积可以达到1000m2/g，从而使单位重量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平。碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。
　　2、使用金属氧化物电极的超级电容器，原来是指贵金属氧化物RuO2 、IrO2 作为电极的电容器。通过发生可逆的氧化/还原反应，使电荷在两个电极上发生转移的同时产生吸附电容。它与双电层电容的机理不同，称为法拉第赝电容 (Faradaic pseudocapacitance)。与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要大 10～100倍，因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军事领域。
　　3、使用有机聚合物电极的电容。目前技术还不是很成熟，价格较贵，还处于实验室研究阶段。
　　汽车用超级电容的研究进展
　　目前，美国、欧洲和日本都在积极开展电动汽车用超级电容的研究开发工作。美国能源部和USABC从1992年开始，组织国家实验室(Lawrence Livermore，Los Alamos等)和工业界(Maxwell，GE等)联合开发使用碳材料的双电层超级电容器。其研究的初期目标是在维持功率密度为1kW/kg的同时，把超级电容的能量密度提高到5Wh/kg。这一目标已经基本达到，但是尚未按进度完成PNGV确定的目标。有关资料表明，如果超级电容的比能量达到20Wh/kg，那么用于混合车将是比较理想的。
　　1996年欧共体制定了电动汽车超级电容器发展计划。由SAFT公司领导，成员包括Alcatel-Asthom、Fiat等。目标是：比能量达到6Wh/kg，比功率达到1500W/kg，循环寿命超过10万次，满足电化学电池和燃料电池电动汽车要求。
　　日本也成立了&新电容器研究会&和NEW SUNSHINE开发机构。
　　目前，在该技术领域中处于领先地位的国家有俄罗斯、日本、德国和美国。俄罗斯专注于电容车技术和电动车制动能量回收的研究，取得了显著的发展。其启动型超级电容器比功率已达3000W/kg，循环寿命在10万次以上，领先于其它国家。在俄罗斯，曾有使用950kg超级电容驱动载客50人的电动巴士，尽管其续驶里程只有8～10km，但其充电时间也只有15分钟。
　　Maxwell公司预测其产品PowerCacheTM的价格在2003年达到$30/cell，到2003年，汽车市场对超级电容单体的需求将达到一百万只，2008年将迅速增加到一亿只。现在，美国的Full Power Technologies公司正在进行低成本超级电容的开发。
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