長(zhǎng)安儲(chǔ)能研究院科學(xué)家陳元振 西安交通大學(xué)教授,在國(guó)際一流期刊上發(fā)表文章70余篇,主持國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)。 長(zhǎng)期從事能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、低溫余熱回收與發(fā)電系統(tǒng)研究。
在比賽場(chǎng)上,人們感受不同賽事帶來(lái)的力量之美!有人善于爆發(fā),像百米飛人比賽,炸裂式的肌群拉彈看得讓人血脈膨脹;也有人善于耐馳,像馬拉松比賽,源源不斷地能量輸出讓人由衷欽佩;也有人柔中帶剛,快中有慢,盡顯運(yùn)動(dòng)魅力。
而在儲(chǔ)能界,也同樣存在“力量之美”。能量型器件猶如田徑界的長(zhǎng)跑者,擁有持久能量輸出的能力;功率型器件猶如百米飛人,擁有驚人的爆發(fā)力,可短時(shí)快速輸出能量。目前,在實(shí)際應(yīng)用中,能量型器件得到了更多的青睞。尤其像動(dòng)力電池,3C電池,儲(chǔ)能電池等,其主要原因是大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)所屬于中等功率或低功率應(yīng)用場(chǎng)所,因此電池即可滿(mǎn)足其應(yīng)用條件。然而,對(duì)于電池而言,其功率輸出并不高。從圖1中我們看出,能量和功率似乎是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系,若其能量密度高,則其功率密度偏低,反之亦然。因此,對(duì)于高功率輸出要求下,則需要用到另一類(lèi)電源設(shè)備-超級(jí)電容器。
圖1 不同器件的能量與功率密度圖
在當(dāng)前儲(chǔ)能應(yīng)用中,超級(jí)電容器盡管沒(méi)有電池應(yīng)用那么廣泛,但也有其不可替代的領(lǐng)域。在介紹其應(yīng)用之前,先介紹其三個(gè)核心特點(diǎn):
功率密度高。即可短時(shí)間之內(nèi)(幾秒-幾分鐘)即可充滿(mǎn)或釋放電能,最高功率密度通常能達(dá)到10 kW/kg以上,該特點(diǎn)主要由其儲(chǔ)能原理決定。目前主要基于兩大快速儲(chǔ)能原理,即物理吸附和法拉第贗電容電化學(xué)反應(yīng)。物理吸附好理解,離子吸附得快,釋放得也快。另外一個(gè)是法拉第贗電容電化學(xué)反應(yīng),可以理解成表面淺層區(qū)的電化學(xué)反應(yīng)。一旦涉及到電化學(xué)儲(chǔ)能,便會(huì)涉及到離子的擴(kuò)散。離子從表面擴(kuò)散到材料芯部則會(huì)比較慢,這也是電池功率低的主要原因。而離子從表面擴(kuò)散至近表面的淺層區(qū)是比較快的,所以,其離子擴(kuò)散路徑短,因此功率密度高。但這兩種儲(chǔ)能機(jī)理下所存儲(chǔ)的能量多比較小,因此其能量密度小。
壽命長(zhǎng)?;谖锢砦降某?jí)電容器一般會(huì)在100萬(wàn)次以上,基于贗電容的超級(jí)電容器也能達(dá)到幾萬(wàn)次以上。然而,一般的電池壽命僅有2000-4000次循環(huán)壽命。主要原因是物理吸附對(duì)材料的結(jié)構(gòu)不造成損傷;而法拉第贗電容電化學(xué)反應(yīng)也僅發(fā)生在材料近表面區(qū),對(duì)材料結(jié)構(gòu)也沒(méi)有造成太大傷害,因此,壽命較長(zhǎng)。而如鋰離子電池等,離子從表面擴(kuò)散到芯部會(huì)使材料整體發(fā)生較大的晶格畸變,離子脫出時(shí)又會(huì)經(jīng)歷一番畸變,如此往復(fù)循環(huán),晶格就會(huì)疲勞破壞,從而使離子儲(chǔ)存能力下降,能量密度降低。
能量回收效率高。因?yàn)槌?jí)電容器對(duì)大、小電流是“來(lái)者不拒”,更能耐受大電流充電,所以,對(duì)于制動(dòng)能量回收非常有利。目前,可知的最高能量回收效率可達(dá)45%。同時(shí),這一特點(diǎn)也為其與電池配合使用創(chuàng)造條件,比如儲(chǔ)能電池中,不穩(wěn)定的新能源電力對(duì)電池的沖擊都可以使用超級(jí)電容器來(lái)緩解,起到保護(hù)電池的作用。
因?yàn)槌?jí)電容器具有以上三大特點(diǎn),使其在某些場(chǎng)景表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
場(chǎng)景一:頻繁啟動(dòng)與制動(dòng)場(chǎng)景。比如地鐵,公交車(chē),行車(chē)等。以地鐵為例,它會(huì)在進(jìn)站時(shí)將能量高效回收并儲(chǔ)存在超級(jí)電容器系統(tǒng)中,出站時(shí)用可以使用電容器啟動(dòng)地鐵,這樣可以有效節(jié)約電能。據(jù)報(bào)道[1],廣州地鐵應(yīng)用該電容系統(tǒng),場(chǎng)站綜合儲(chǔ)能電源平均節(jié)約電能1400 kWh/天·站,每年減少排放490噸二氧化碳,每年節(jié)約電費(fèi)約51萬(wàn)元。1條地鐵線(xiàn)按照20個(gè)站考慮,每年可減少排放9800噸二氧化碳,每年節(jié)約電費(fèi)1020萬(wàn)元。
圖2 超級(jí)電容器地鐵應(yīng)用系統(tǒng)
此外,超級(jí)電容器在高鐵上也將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。其能量回收將更加顯著。另外,電容公交大巴在上海早已運(yùn)行多年,盡管能量密度低,但是其充電快,壽命長(zhǎng),非常適合于這種短途,頻繁啟動(dòng)/制動(dòng)場(chǎng)景。
場(chǎng)景二:高功率短時(shí)輸出場(chǎng)景。在最新一代的高端武器研發(fā)中,高功率器件是不可或缺的核心裝備之一,比如激光武器,電磁脈沖武器等,這類(lèi)武器需要電源在短時(shí)間內(nèi)輸出巨大能量以達(dá)到摧毀目標(biāo)的目的。超級(jí)電容器成為該類(lèi)電源的不二之選。通過(guò)合理的電源管理設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的高功率輸出。
圖4 艦載激光炮
場(chǎng)景三:固定式充電樁/移動(dòng)充電機(jī)器人。汽車(chē)動(dòng)力電池充電時(shí),未來(lái)發(fā)展方向一定是快充技術(shù),無(wú)論是固定式充電樁還是移動(dòng)充電機(jī)器人,面臨的挑戰(zhàn)都是高功率充電技術(shù),而超級(jí)電容器無(wú)疑也成為突破這一技術(shù)的重要選擇對(duì)象,尤其是移動(dòng)充電機(jī)器人,“電池+電容”雙電配合使用,高能量密度的“大充電寶”+超高功率密度的超級(jí)電容器,可以很好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),讓快充技術(shù)更進(jìn)一步。
圖5 移動(dòng)充電機(jī)器人[2]
超級(jí)電容器具備獨(dú)特的高功率、長(zhǎng)壽命和高效的能量回收等特點(diǎn),使其在某些場(chǎng)合成為不可替代的電源系統(tǒng)。而如何擴(kuò)大超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域,除了超級(jí)電容器電芯在功率和能量輸出方面提升以外,在超級(jí)電容器電源管理系統(tǒng)等也需要同步發(fā)展。在大規(guī)模儲(chǔ)能方面,非常有潛力成為儲(chǔ)能電池的輔助器件,通過(guò)共建“雙電”模式,以實(shí)現(xiàn)提高脈沖充電能力并延長(zhǎng)電池壽命的目標(biāo)。
作者聲明:本內(nèi)容僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn),與他人無(wú)利益沖突。
參考內(nèi)容:
(1)雙碳科技創(chuàng)新十大典型案例摘編——“超級(jí)電容器綜合儲(chǔ)能電源技術(shù)推動(dòng)地鐵節(jié)能減排”項(xiàng)目
(2)可自已尋找電動(dòng)車(chē) 愛(ài)馳汽車(chē)研發(fā)移動(dòng)充電機(jī)器人-電車(chē)資源