南都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 
南都蓄電池是較為傳統(tǒng)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(fā)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(fā)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(jié)約能源和綠色環(huán)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，南都蓄電池 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(huán)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(huán)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(guī)模串并聯 單體的大規(guī)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(tài)釋放能量高，在高功率輸出的時候特別有用。 
3、循環(huán)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(huán)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(yōu)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(huán)次數 適中 高 重量體積 
適中 
大 
  
三、工程應用的優(yōu)缺分析

 1、南都蓄電池 
優(yōu)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(huán)壽命較長。 3）采用了無害和環(huán)保材料，環(huán)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(tǒng)。 
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(yōu)點在于： 
1）儲存電容量大。 
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(huán)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(tǒng)的蓄電池高。南都蓄電池 其二作為穩(wěn)壓平衡電源，保持在高容量的狀態(tài)，當供電系統(tǒng)的電壓低于規(guī)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(fā)電電流超過蓄電池限定電流，則由超級 電容吸收，達到節(jié)能的目的。此外，在軍事上，作為脈沖能量。  
四、未來技術發(fā)展的方向  電池和超級電容各有優(yōu)缺點，應用中各有利弊。 
目前，大功率動力電池上，鋰電池較受業(yè)內歡迎，也是目前鋰電池研發(fā)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(fā)展上看，超級電容和電池的結合體能夠集兩者的優(yōu)點于一身，將是新技術發(fā)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(huán)使用壽命長、環(huán)境適應能力強。超級電池的開發(fā)應用成功將會帶來革命性的突破。