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100萬次以上，基于贗電容的超級(jí)電容器也能達(dá)到幾萬次以上。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，行車等。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51萬元。1條地鐵線按照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)電容器成為該類電源的不二之選。通過合理的電源管理設(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。汽車動(dòng)力電池充電時(shí)，未來發(fā)展方向一定是快充技術(shù)，無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 愛馳汽車研發(fā)移動(dòng)充電機(jī)器人-電車資源
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