法拉儲(chǔ)能，第 1 部分：超級(jí)電容器基礎(chǔ)知識(shí)

許多系統(tǒng)使用可用的線路供電或可更換電池供電。然而，在其他系統(tǒng)中，許多系統(tǒng)需要不斷捕獲、存儲(chǔ)然后輸送能量來(lái)為系統(tǒng)供電。電量范圍從通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和智能電表等遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的能量收集提供的微量到更大規(guī)模的電網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)。情況是，在能量生成或捕獲時(shí)立即“實(shí)時(shí)”利用來(lái)自各種來(lái)源的能量是一回事。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要一個(gè)能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)，以便將捕獲的任何能量存儲(chǔ)起來(lái)以供日后使用。

這種可補(bǔ)充的能量存儲(chǔ)通常是通過(guò)使用可充電電池(正式名稱(chēng)為二次電池，與不可充電的原電池相對(duì))或通過(guò)使用超級(jí)電容器" target="_blank">超級(jí)電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文將在簡(jiǎn)要介紹電池之后重點(diǎn)介紹超級(jí)電容器。

從電池開(kāi)始

眾所周知，電池是一種提供能量存儲(chǔ)的電化學(xué)裝置，已經(jīng)伴隨我們數(shù)百年。多年來(lái)，有兩種最廣泛使用的常見(jiàn)電池“化學(xué)”：初級(jí)碳鋅電池和可充電鉛酸電池，后者真正開(kāi)始流行是在 1920 年左右汽車(chē)電動(dòng)起動(dòng)器的發(fā)展過(guò)程中。

除了這兩種化學(xué)物質(zhì)之外，還有數(shù)十種初級(jí)和次級(jí)電池材料和化學(xué)物質(zhì)在使用。每種材料和化學(xué)物質(zhì)都具有不同的參數(shù)特性，例如端電壓、能量容量、重量和體積能量密度、安全考慮、主動(dòng)放電率、自放電、工作溫度、保質(zhì)期和成本，僅舉幾例。還有一些因素與最佳充電電流和充電/放電循環(huán)次數(shù)(通常稱(chēng)為使用壽命)有關(guān)。

對(duì)于大多數(shù)小型工程設(shè)計(jì)和許多大型工程設(shè)計(jì)(例如電動(dòng)汽車(chē))，首選的可充電電池是基于鋰基化學(xué)的。這一大類(lèi)電池中有許多變體，每種變體都提供不同的性能屬性和權(quán)衡。

然而，所有可充電化學(xué)產(chǎn)品都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是它們可用的充電/放電循環(huán)次數(shù)有限，根據(jù)充電程度和放電深度，循環(huán)次數(shù)約為一至幾千次。這對(duì)于反復(fù)充電和放電的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是一個(gè)負(fù)面因素，這在能量收集和日常循環(huán)情況下很常見(jiàn)，因此最終限制了它們的實(shí)用性。

超級(jí)電容器

超級(jí)電容器是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明為什么在技術(shù)進(jìn)步方面你不應(yīng)該“永不說(shuō)永不”。如果你查閱 20 世紀(jì) 60 年代甚至 70 年代之前關(guān)于電容器的教科書(shū)或?qū)W術(shù)論文，就會(huì)發(fā)現(xiàn)電容器的容量限制和物理尺寸有明確的陳述。通常，在解釋電容器的物理特性及其能量容量 E 之后：

E = ? CV 2

其中 C 是法拉 (F) 電容，V 是電壓，有人會(huì)說(shuō)，一法拉 (F) 數(shù)量級(jí)的電容器大得不切實(shí)際，可能和文件柜或小書(shū)柜一樣大。

但材料和表面技術(shù)的研究帶來(lái)了新的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)，最終誕生了所謂的超級(jí)電容器，它在一個(gè)與其他基本無(wú)源器件大小相當(dāng)?shù)姆庋b中提供數(shù)十甚至數(shù)百法拉的容量。超級(jí)電容器，也稱(chēng)為超級(jí)電容器，正式名稱(chēng)為電雙層電容器 (EDLC)。

經(jīng)典電容器具有兩個(gè)分開(kāi)的導(dǎo)電板(無(wú)物理接觸)和它們之間的電介質(zhì);該電介質(zhì)可以是真空、空氣或非導(dǎo)電聚合物。

超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則復(fù)雜。超級(jí)電容器使用碳納米管技術(shù)，以極小的間隔距離創(chuàng)造出非常大的表面積(圖 1)。它們沒(méi)有使用傳統(tǒng)的介電材料(如陶瓷、聚合物薄膜或氧化鋁)來(lái)分隔電極，而是使用活性炭制成的物理屏障，這樣當(dāng)電荷施加到材料上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生雙電場(chǎng)，起到介電體的作用。

圖 1：電雙層電容器 (EDLC) 或超級(jí)電容器采用獨(dú)特配置的復(fù)雜材料來(lái)實(shí)現(xiàn)幾十年前被認(rèn)為“不可能”的電容體積密度。

這個(gè)電雙層的厚度薄如分子，而活性炭層的表面積卻非常大，每克高達(dá)幾千平方米。大的表面積支持大量離子的吸收。因此，充電/放電發(fā)生在活性炭電極上形成的離子吸收層中。電雙層效應(yīng)發(fā)生在電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體之間的界面處，該界面存在于幾乎所有的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，涉及所謂的亥姆霍茲層。