法拉電容也是超級電容�超級電容�是介于傳�(tǒng)電容�和充�電池之間的一種新型儲能裝�,其容量可�(dá)幾百至上千法�,與傳統(tǒng)電容器相比:它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命;而與蓄電池相比:它又具有較高的比功率,且對環(huán)境無污染,因此可以說,超級電容器是一種高�、實(shí)�、環(huán)保的能量存儲裝置�
法拉電容器的容量比通常的電容器大得�。由于其容量很大,對外表�(xiàn)和電池相�,因此也有稱作“電容電池”�
法拉電容器屬于雙電層電容�,它是世界上已投入量�(chǎn)的雙電層電容器中容量的一�,其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層�(jié)�(gòu)獲得超大的容��
法拉電容是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓加到法拉電容的兩個極板上時,與普通電容器一�,極板的正電極存儲正電荷,負(fù)極板存儲�(fù)電荷,在法拉電容的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用�,在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷,以平衡電解液的�(nèi)電場,這種正電荷與�(fù)電荷在兩個不同相之間的接觸面�,以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置�,這個電荷分布層叫做雙電�,因此電容量非常大。當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位�,電解液界面上電荷不會脫離電解液,法拉電容為正常工作狀�(tài)(通常�3V以下�,如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時,電解液將分�,為非正常狀�(tài)。由于隨著法拉電容放� ,正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放,電解液的界面上的電荷響�(yīng)減少。由此可以看出法拉電容的充放電過程始終是物理過程,沒有化�(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的,與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的�
法拉電容的類型比較多,按不同方式可以分為多種�(chǎn)��
一、按原理分為雙電層型法拉電容和贗電容型法拉電容:
�1)雙電層型法拉電容,包括
1.活性碳電極材料,采用了高比表面積的活性炭材料�(jīng)過成型制備電��
2.碳纖維電極材料,采用活性炭纖維成形材料,如�、氈等經(jīng)過增�(qiáng),噴涂或熔融金屬增強(qiáng)其導(dǎo)電性制備電��
3.�?xì)饽z電極材料,采用前�(qū)材料制備凝膠,經(jīng)過炭化活化得到電極材�
4.碳納米管電極材料,碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電�,采用高比表面積的碳納米管材�,可以制得非常優(yōu)良的法拉電容電極�
以上電極材料可以制成�
1.平板型法拉電�,在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電�,另外也有Econd 公司�(chǎn)品為典型代表的多層疊片串�(lián)組合而成的高壓法拉電�,可以達(dá)�300V 以上的工作電��
2.繞卷型溶劑電容器,采用電極材料涂覆在集流體上,經(jīng)過繞制得�,這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度�
�2)贗電容型法拉電容:
包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材�,金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5 等作為正極材�,活性炭作為�(fù)極材料制備的法拉電容,導(dǎo)電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT 等經(jīng)P 型或N 型或P/N 型摻雜制取電極,以此制備法拉電容。這一類型法拉電容具有非常高的能量密度,目前除NiOx 型外,其它類型多處于研究階段,還沒有�(shí)�(xiàn)�(chǎn)�(yè)化生�(chǎn)�
二、按電解�(zhì)類型可以分為水性電解質(zhì)和有�(jī)電解�(zhì)類型�
?�?)水性電解質(zhì),包括以下幾�
1.酸性電解質(zhì),多采用36%的H2SO4 水溶液作為電解質(zhì)�
2.堿性電解質(zhì),通常采用KOH、NaOH 等強(qiáng)堿作為電解質(zhì),水作為溶劑�
3.中性電解質(zhì),通常采用KCl、NaCl 等鹽作為電解�(zhì),水作為溶劑,多用于氧化錳電極材料的電解��
?�?)有�(jī)電解�(zhì)
通常采用LiClO4 為典型代表的鋰鹽、TEABF4 作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì),有�(jī)溶劑如PC、ACN、GBL、THL 等有�(jī)溶劑作為溶劑,電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解��
�、另外還可以分為�
1.液體電解�(zhì)法拉電容,多�(shù)法拉電容電解�(zhì)均為液態(tài)�
2.固體電解�(zhì)法拉電容,隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的�(fā)展,�(yīng)用于法拉電容的電解質(zhì)也對凝膠電解�(zhì)和PEO 等固體電解質(zhì)�(jìn)行研�。到幾百個串并聯(lián)使用,組件電壓從 12VDC 直到 800VDC �
法拉電容最早出�(xiàn),是在二十世紀(jì)六十年代后期,從單一的功能,�(fā)展到今天的多功能,將來就是法拉電容的天��
法拉電容這一個新興行�(yè),發(fā)�(dá)國家已有四十年的歷史,在中國盡管起步較遲,也有二十年�。法拉電容制造行�(yè),衍生了法拉電容后市場的改裝行業(yè),前者的興盛,帶來了后者的興旺,相得益�。二十年不平凡的�(fā)展歷�,最�,從依賴�(jìn)口商品開始做�,通過掌握技�(shù),培�(yǎng)人才,資金積累的過程�,于�(jié)合、運(yùn)�、創(chuàng)新中,走向了繁榮�
二十世紀(jì)八十年中后期,改革開放�(jìn)行得如火如荼,經(jīng)�(jì)得到了發(fā)�,對新能源的需求在逐步的增多。最早的法拉電容銷售,集中在為數(shù)不多的法拉電容配件店�。預(yù)測到法拉電容廣闊的發(fā)展前景,很多法拉電容行業(yè)中人紛紛兼營或改行經(jīng)營法拉電�,法拉電容店的概�,開始有了模糊的雛形。那�,很多行�(yè)處于方興未艾的起步階�,法拉電容產(chǎn)品在牌子,型號的選擇上是非常有限的,主要的產(chǎn)品是較為低端�?,F(xiàn)�,當(dāng)時流行的幾個品�,在大浪淘沙�,只能留在回憶中了�
中國�(jīng)�(jì)持續(xù)高速發(fā)�,法拉電容的需求量迅速增長,法拉電容的發(fā)展也迎來了新的機(jī)��1992 �,通過各種途徑,國外品牌率先�(jìn)入國�(nèi)市場;在以質(zhì)�、技�(shù)、功�、等賣點(diǎn)的支持下,隨著法拉電容擁有量快速增�,帶來了興旺的銷售與安裝�
2005 年經(jīng)營中與外界的交流,法拉電容行�(yè)在整體上得到了提高,法拉電容的經(jīng)營模式廣受推�,店紛紛�(shè)��2007 �,各類法拉電容比賽如雨后春筍般涌�(xiàn)�
國內(nèi)需求的持續(xù)升溫,為國外品牌帶來了豐厚的利潤,除了把�(chǎn)品擴(kuò)張外,許多國外企�(yè)更把工廠�(shè)到了國內(nèi)。經(jīng)過多年的�(fā)�,以法拉電容相關(guān)�(chǎn)�,在技�(shù)、工藝、質(zhì)�、功能等都有了較大的提高,開始向市場�(fā)起新一輪的沖擊,銷售于式微中漸有起��
法拉電容主要由極化電極、集電極、電解液、隔膜、引線和封裝材料幾部分組�。電極材料、電解質(zhì)的組�、隔膜質(zhì)量以及電極制造技�(shù)對法拉電容的性能有決定性的影響。電極材料的性能決定其電容量的大??;電解質(zhì)的分解電壓決定法拉電容的工作電壓,以水溶液為電解液的電容器工作電壓只有l(wèi)V 左右,而有�(jī)電解液的可達(dá)3V 左右。法拉電容的�(guān)鍵技�(shù)包括�
?�?)高比容量電極材料的制備技�(shù)�
�2)高性能電解液的合成技�(shù)�
?�?)電容器的組裝和封裝技�(shù)�
1、標(biāo)稱電容量(CR):電容器�(chǎn)品標(biāo)出的電容量��
云母和陶瓷介�(zhì)電容器的電容量較�(大約�5000pF以下);紙、塑料和一些陶瓷介�(zhì)形式的電容量居中(大約�0005μF10μF);通常電解電容器的容量較大。這是一個粗略的分類��
2、類別溫度范圍:電容器設(shè)計所確定的能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范�,該范圍取決于它相應(yīng)類別的溫度極限�,如上限類別溫度、下限類別溫�、額定溫�(可以連續(xù)施加額定電壓的環(huán)境溫�)��
3、額定電�(UR):在下限類別溫度和額定溫度之間的任一溫度�,可以連續(xù)施加在電容器上的直流電壓或交流電壓的有效值或脈沖電壓的峰��
電容器應(yīng)用在高壓場合時,必須注意電暈的影�。電暈是由于在介�(zhì)/電極層之間存在空隙而產(chǎn)生的,它除了可以�(chǎn)生損壞設(shè)備的寄生信號外,還會�(dǎo)致電容器介質(zhì)擊穿。在交流或脈動條件下,電暈特別容易發(fā)�。對于所有的電容�,在使用中應(yīng)保證直流電壓與交流峰值電壓之和不的超過直流電壓額定��
4、損耗角正切(tanδ):在�(guī)定頻率的正弦電壓�,電容器的損耗功率除以電容器的無功功��
在實(shí)際應(yīng)用中,電容器并不是一個純電容,其�(nèi)部還有等效電��
這個關(guān)系用下式來表�(dá)� tanδ=Rs/Xc=2πf×c×Rs 因此,在�(yīng)用當(dāng)中應(yīng)注意選擇這個參�(shù),避免自身發(fā)熱過�,以減少�(shè)備的失效性�
5、電容器的溫度特性:通常是以20℃基�(zhǔn)溫度的電容量與有�(guān)溫度的電容量的百分比表示�
?�?)充電速度�,充�10秒~10分鐘可達(dá)到其額定容量�95%以��
?�?)循�(huán)使用壽命�,深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1~50萬次,沒有“記憶效�(yīng)”;
?�?)大電流放電能力超強(qiáng),能量轉(zhuǎn)換效率高,過程損失小,大電流能量循環(huán)效率�90[%]�
?�?)功率密度高,可�(dá)300W/KG~5000W/KG,相�(dāng)于電池的5~10��
�5)產(chǎn)品原材料�(gòu)�、生�(chǎn)、使�、儲存以及拆解過程均沒有污染,是理想的綠色環(huán)保電��
?�?)充放電線路簡單,無需充電電池那樣的充電電�,安全系�(shù)�,長期使用免維護(hù)�
?�?)超低溫特性好,溫度范圍寬-40℃~+70��
�8)檢測方�,剩余電量可直接讀��
?�?)容量范圍通常0.1F--1000F�
根據(jù)放電量、放電時�、工作電壓以及電容量大小,法拉電容可用作后備、替換和主電源三類,主要�(yīng)用領(lǐng)域如下:
?�?)軍事領(lǐng)� 用于新一代激光武�、粒子束武器、微波武�、潛�、導(dǎo)彈等大功率脈沖電源;航天飛行�、軍用坦克和卡車等軍事裝備的啟動電源��
?�?)無線通訊�(lǐng)� GSM手機(jī)通訊脈沖電源,移動電�、PDA、其它使用微處理器的便攜式設(shè)備以及其它數(shù)�(jù)通訊�(shè)備的備用電源�
?�?)消�(fèi)電子�(lǐng)� 音響、視頻和其它電子�(chǎn)品斷電時須用記憶保持電路的產(chǎn)�;電子玩具;無線電話;電熱水�;照相機(jī)閃光燈系�(tǒng);助聽器等�
?�?)工�(yè)�(lǐng)� 智能水表、電表與氣表,充磁機(jī),電動工具,稅控�(jī)�
?�?)交通運(yùn)輸領(lǐng)� 主要�(yīng)用于汽車、火�、船舶和碼頭等領(lǐng)�。如交通工具的啟動�(shè)�,瞬間提供大電流,以及與電池配合使用組成混合動力車和開發(fā)純電容交通車,提供動力驅(qū)動電�。應(yīng)用于汽車零部件領(lǐng)�,如音響、電動座�、空�(diào)、轉(zhuǎn)向和制動�。應(yīng)用于碼頭的集裝箱起重�(jī)等領(lǐng)��
?�?)特殊要求的智能�(shè)備或電路�(shè)計領(lǐng)��
?�?)其它應(yīng)用領(lǐng)域,如太陽能光伏�(chǎn)品儲能器件等�
法拉電容�(chǎn)品獲得投資關(guān)注雖然不�,但由于它具有特殊的�(yōu)�(diǎn),已在許多領(lǐng)域中獲得了應(yīng)�,其前景可以�(rèn)為是非常廣闊�2010年上海世博會中穩(wěn)定運(yùn)營的36輛超級電容客車更是吸引了眾多觀光者的眼球。超級電容車一旦展開普�,市場會大的超出想象�
基于中國消費(fèi)電子近年來的驚人增長表現(xiàn),預(yù)計今后幾年內(nèi),我國紐扣型法拉電容有望保持30[%]以上的平均增長率,卷繞型和大型法拉電容則有可能保�50[%]以上的平均增長率。到2013年,我國法拉電容的整體產(chǎn)�(yè)�(guī)模有望達(dá)�79億元�
依照美國國家能源局的數(shù)�(jù)�(yù)�,法拉電容在全球市場的容量預(yù)計將�2007年的4億美元發(fā)展到2013年的120億美� 。其�,在電動汽車/新能源汽車領(lǐng)域的市場�(guī)模有望在2013年達(dá)�40億美�;在消費(fèi)電子�(lǐng)域的市場�(guī)模有望在2013年達(dá)�30億美�;在工業(yè)(�(fēng)力發(fā)�, 軌道交�,重型�(jī)械等)�(lǐng)域的市場�(guī)模有望咋2013年達(dá)�40億美��
?。ㄒ唬┤虺夒娙萜魇袌鲱愋偷亩鄻踊?BR> 在世界市場上,出�(xiàn)了三種類型的國家,即�(fā)�(dá)市場�(jīng)�(jì)國家、發(fā)展中國家或地區(qū)和社會主義國�。在超級電容器國際貿(mào)易中,發(fā)�(dá)市場�(jīng)�(jì)國家約點(diǎn)70[%]左右,發(fā)展中國家或地區(qū)約占20[%],而社會主義國家和原蘇�(lián)、東歐國家約�10[%]左右�
(二)超級電容器國際�(mào)易方式多樣化
出現(xiàn)了一些新�(mào)易形�,主要有:補(bǔ)償貿(mào)易、對外加工裝配貿(mào)�、租賃貿(mào)易等�
?。ㄈ┏夒娙萜魃唐方Y(jié)�(gòu)�(fā)生了重大變化
?。ㄋ模┏夒娙萜魇袌錾系膲艛嗯c競爭更為劇烈超級電容器市場由賣方�(zhuǎn)向買方市場,壟斷�(jìn)一步加�(qiáng),使得市場上的競爭更為激�。為了爭奪市�,采取了各種各樣的方式:
1、組織經(jīng)�(jì)�(mào)易集�(tuán)控制市場�
2、通過跨國公司打�(jìn)他國市場�
3、國家積極參與世界市場的爭奪�
4、從價格競爭�(zhuǎn)向非價格競爭。非價格競爭的手段和方法主要包括提高�(chǎn)品質(zhì)量、性能、改�(jìn)�(chǎn)品設(shè)計、做好售前售后服�(wù)��
5、開拓新市場,使市場多元化�
由于目前的法拉電容自放電率都很高,這無疑限制了法拉電容像傳�(tǒng)電池一樣長時間�(wěn)定儲�。而真正用于穩(wěn)定儲能的超級電容電池正處于技�(shù)即將突破的階�,�(yù)計在未來5�10年將�(jìn)入爆�(fā)式增長期,美、日、韓、中等鋰離子電池與法拉電容產(chǎn)�(yè)�(fā)�(dá)國家必將展開激烈的技�(shù)與市場競爭。在我國還處于概念階�,沒有技�(shù)上的突破,更沒有形成產(chǎn)�(yè)�,�(xiàn)在啟動法拉電容電池的研發(fā)正逢其��
麻省理工�(xué)院的計算�(jī)電子工程師JoelSchindall表示,在未來幾年�(nèi),超級電容的能量儲存能力將出�(xiàn)�(zhì)的飛�。目前的超級電容�(chǎn)品放電速度是傳�(tǒng)電池�10�,而能量儲存能力在體積相同的條件下則只有后者的5[%]� 他表示:”超級電容在某些�(jīng)常�(jìn)行充放電操作的場合用途甚�,比如在制動能回收式剎車系統(tǒng)�(就是CCAV五套F1節(jié)目里主持人整天嘮叨的什么科爾斯系統(tǒng)),這種電容就很好用。當(dāng)然目前這種�(chǎn)品還無法大規(guī)模取代電池� 過去五年�(nèi),Schindall帶領(lǐng)的研究小組一直在研究將超級電容中的儲能元�--多孔活性炭材料,替換為另一種碳納米管材�+�(dǎo)電基體的儲能元件。今年初他們還為此成立了FastCap公司,以便把有關(guān)的研究結(jié)果商�(yè)�。Schindall表示超級電容�(chǎn)品的儲能能力最終將�(dá)到電池的25[%]左右。而目前麻省理工學(xué)院研制出來的納米材料,儲能能力已�(jīng)�(dá)到活性炭材料兩倍的水平。而未來幾個月�(nèi),他所�(lǐng)�(dǎo)的研究團(tuán)隊還將展示一種儲能能力為活性炭5倍的�(chǎn)品�