蓄电池与超级电容性能和应用分析

蓄电池与超级电容性能和应用分析

电气研发部郑磊2012-7-20

目前，主要的储能装置有两大类，蓄电池和超级电容；

一、概述

蓄电池是较为传统的储能电池，按正极材料可分以下几类：铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、镍锌电池、锂电池。技术发展到今天，以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池代表了当前最先进、能够大功率应用的动力蓄电池。在汽车、轨道车辆等方面应用较为广泛。

超级电容又叫双电层电容器，是20世纪七八十年代发展起来的一种新型储能装置，结构上同普通电解电容非常相似，属于双电层电容器。但由于采用活性炭多孔电极和电解质组成了双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得超大的容量，可达80000F。目前正处于快速成长期。它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

表1：蓄电池和超级电容的特性对比

二、工程应用的主要考量指标

1、能量密度：单位重量所储存的总能量多少，与材料有关。综合重量和能量密度，就可以判断其是否可以作为纯动力源。

2、功率密度：单位重量在放电时可以以何种速率进行能量输出，表征其放电输出特性。功率密度高，瞬态释放能量高，在高功率输出的时候特别有用。

3、循环次数：充放电次数，决定了使用寿命和维护成本。

4、重量体积：决定了其安装和移动性。

图1 能量密度和功率密度Ragone图，

* 参考：汽油的能量密度约为123Wh/kg

由图可知，

超级电容的能量密度低，可以进行短时短线供能，若通过多个超级电容串并联，可以提高总能量，但会同时带来重量、体积的增加。

超级电容功率密度很高，可以提供瞬时高峰能量吸收和输出，特别适合车辆的起动和制动。

蓄电池循环寿命比超级电容低很多，但是在能量密度上具有非常好的优势，特别适用于有限空间的应用，如轨道车辆。

表2 关键工程指标对比

磷酸铁锂锂离子电池双层结构的超级电容能量密度高低

功率密度适中高

循环次数适中高

重量体积适中大

三、工程应用的优缺分析

1、蓄电池

优点在于：

1）单体电压高、能量密度高，适当的重量和体积能带来较大的能量输出。

2）在额定充放电倍率，使用次数和循环寿命较长。

3）采用了无害和环保材料，环境公害很低。

缺点在于：

1）大电流充放电特性不理想。

2）对过充过放耐受性差，需要精细的管理保护系统。

3）受温度影响大，高温下性能恶化并直接影响锂电池的容量。

4）具有存在爆炸的风险，如是高温、大电流等。需要多重保护机制。

5）目前价格较高

目前，蓄电池在轨道交通上，主要作为后备和紧急电源使用，作为主要供能装置用于短距离的公交、有轨电车运输也是其新的应用领域。

2、超级电容

其优点在于：

1）储存电容量大。

2）功率密度大，短时大功率充放电能力强。

3）物理能量转换，充放电时间短，效率高。

4）充放电循环次数可达50万次，长使用寿命，除非电流集电极被腐蚀。

5）具有很宽的工作温度范围。

6）理论上较为安全，电容器的高温会导致电路断路，而不是爆炸。

其缺点在于：

1）单体电压低，能量密度低。相比蓄电池，在同样容量输出下，需要大量并串联，必然带来体积和重量的急剧增加。

2）串联使用需要采取必要的均压控制电路，均压控制电路的设计直接影响中后期超级电容的影响寿命。

目前，超级电容典型的应用为两种，其一是作为能量储存装置，在车辆制动过程中吸收能量，在车辆处于加速牵引过程中释放能量，其效率和可靠性都比传统的蓄电池高。其二作为稳压平衡电源，保持在高容量的状态，当供电系统的电压低于规定值时才开始放电。亦可以和蓄电池进行组合并联使用作为启动电源，启动加速时，若蓄电池限定电流不够，则由超级电容弥补差额电流，提高总输出功率；制动时，发电电流超过蓄电池限定电流，则由超级电容吸收，达到节能的目的。此外，在军事上，作为脉冲能量。

四、未来技术发展的方向

电池和超级电容各有优缺点，应用中各有利弊。

目前，大功率动力电池上，锂电池较受业内欢迎，也是目前锂电池研发的热点，并在公交车、有轨电车等低功率需求领域进入应用阶段，未来锂电池将主要从正负极材料、电解液、隔膜、内部结构上进行改进，增强其大功率应用和安全性。

超级电容的低能量密度限制了其在车辆上的应用，未来将朝着高能量密度进行改进，主要是从材料入手，提高隔膜的制造水平和电极表面积，使得能够达到铅酸蓄电池的能量。

从技术发展上看，超级电容和电池的结合体能够集两者的优点于一身，将是新技术发展的方向。该结合体从内部结构上将超级电容和蓄电池2种不同的电极组成杂化超级电容器，亦称为超级电池。

超级电池实现了两种储能方式的性能互补，具有低成本、高能量密度、高能量存储、循环使用寿命长、环境适应能力强。超级电池的开发应用成功将会带来革命性的突破。