长安储能研究院：超级电容器将增强储能产品的“力量之美”

长安储能研究院科学家陈元振  西安交通大学教授,在国际一流期刊上发表文章70余篇,主持国家自然科学基金2项。 长期从事能量存储与转换、低温余热回收与发电系统研究。

在比赛场上,人们感受不同赛事带来的力量之美!有人善于爆发,像百米飞人比赛,炸裂式的肌群拉弹看得让人血脉膨胀;也有人善于耐驰,像马拉松比赛,源源不断地能量输出让人由衷钦佩;也有人柔中带刚,快中有慢,尽显运动魅力。

而在储能界,也同样存在“力量之美”。能量型器件犹如田径界的长跑者,拥有持久能量输出的能力;功率型器件犹如百米飞人,拥有惊人的爆发力,可短时快速输出能量。目前,在实际应用中,能量型器件得到了更多的青睐。尤其像动力电池,3C电池,储能电池等,其主要原因是大多数应用场所属于中等功率或低功率应用场所,因此电池即可满足其应用条件。然而,对于电池而言,其功率输出并不高。从图1中我们看出,能量和功率似乎是此消彼长的关系,若其能量密度高,则其功率密度偏低,反之亦然。因此,对于高功率输出要求下,则需要用到另一类电源设备-超级电容器。

图1 不同器件的能量与功率密度图

在当前储能应用中,超级电容器尽管没有电池应用那么广泛,但也有其不可替代的领域。在介绍其应用之前,先介绍其三个核心特点:

功率密度高。即可短时间之内(几秒-几分钟)即可充满或释放电能,最高功率密度通常能达到10 kW/kg以上,该特点主要由其储能原理决定。目前主要基于两大快速储能原理,即物理吸附和法拉第赝电容电化学反应。物理吸附好理解,离子吸附得快,释放得也快。另外一个是法拉第赝电容电化学反应,可以理解成表面浅层区的电化学反应。一旦涉及到电化学储能,便会涉及到离子的扩散。离子从表面扩散到材料芯部则会比较慢,这也是电池功率低的主要原因。而离子从表面扩散至近表面的浅层区是比较快的,所以,其离子扩散路径短,因此功率密度高。但这两种储能机理下所存储的能量多比较小,因此其能量密度小。

寿命长。基于物理吸附的超级电容器一般会在100万次以上,基于赝电容的超级电容器也能达到几万次以上。然而,一般的电池寿命仅有2000-4000次循环寿命。主要原因是物理吸附对材料的结构不造成损伤;而法拉第赝电容电化学反应也仅发生在材料近表面区,对材料结构也没有造成太大伤害,因此,寿命较长。而如锂离子电池等,离子从表面扩散到芯部会使材料整体发生较大的晶格畸变,离子脱出时又会经历一番畸变,如此往复循环,晶格就会疲劳破坏,从而使离子储存能力下降,能量密度降低。

能量回收效率高。因为超级电容器对大、小电流是“来者不拒”,更能耐受大电流充电,所以,对于制动能量回收非常有利。目前,可知的最高能量回收效率可达45%。同时,这一特点也为其与电池配合使用创造条件,比如储能电池中,不稳定的新能源电力对电池的冲击都可以使用超级电容器来缓解,起到保护电池的作用。

因为超级电容器具有以上三大特点,使其在某些场景表现出独特的优势。

场景一:频繁启动与制动场景。比如地铁,公交车,行车等。以地铁为例,它会在进站时将能量高效回收并储存在超级电容器系统中,出站时用可以使用电容器启动地铁,这样可以有效节约电能。据报道[1],广州地铁应用该电容系统,场站综合储能电源平均节约电能1400 kWh/天·站,每年减少排放490吨二氧化碳,每年节约电费约51万元。1条地铁线按照20个站考虑,每年可减少排放9800吨二氧化碳,每年节约电费1020万元。

图2 超级电容器地铁应用系统

此外,超级电容器在高铁上也将会有很好的应用前景。其能量回收将更加显著。另外,电容公交大巴在上海早已运行多年,尽管能量密度低,但是其充电快,寿命长,非常适合于这种短途,频繁启动/制动场景。

场景二:高功率短时输出场景。在最新一代的高端武器研发中,高功率器件是不可或缺的核心装备之一,比如激光武器,电磁脉冲武器等,这类武器需要电源在短时间内输出巨大能量以达到摧毁目标的目的。超级电容器成为该类电源的不二之选。通过合理的电源管理设计可以实现连续的高功率输出。

图4 舰载激光炮

场景三:固定式充电桩/移动充电机器人。汽车动力电池充电时,未来发展方向一定是快充技术,无论是固定式充电桩还是移动充电机器人,面临的挑战都是高功率充电技术,而超级电容器无疑也成为突破这一技术的重要选择对象,尤其是移动充电机器人,“电池+电容”双电配合使用,高能量密度的“大充电宝”+超高功率密度的超级电容器,可以很好地实现这一目标,让快充技术更进一步。

图5 移动充电机器人[2]

超级电容器具备独特的高功率、长寿命和高效的能量回收等特点,使其在某些场合成为不可替代的电源系统。而如何扩大超级电容器的应用领域,除了超级电容器电芯在功率和能量输出方面提升以外,在超级电容器电源管理系统等也需要同步发展。在大规模储能方面,非常有潜力成为储能电池的辅助器件,通过共建“双电”模式,以实现提高脉冲充电能力并延长电池寿命的目标。

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参考内容:

(1)双碳科技创新十大典型案例摘编——“超级电容器综合储能电源技术推动地铁节能减排”项目

(2)可自已寻找电动车 爱驰汽车研发移动充电机器人-电车资源