一电蓄电池与超级电容性能和应用分析
来源: 一电蓄电池   发布时间: 2019-05-06 09:18   62 次浏览   大小:  16px  14px  12px
深圳一电蓄电池

一电蓄电池与超级电容性能和应用分析

目前,主要的储能装置有两大类,蓄电池和超级电容; 
一、概述
一电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 特性对比 蓄电池(锂电池) 超级电容 能量转换 化学能电能 电能
内部反应 氧化还原化学反应 极化电解质的物理反应 过程可逆性 充放电过程可逆, 能量转换有损耗
充放电过程可逆 使用损耗
化学介质活性的降低
负极材料钝化使得容量衰减 充放电能量转换损耗正极材料 使用不当造成电解液泄漏 
内部阻抗 充电时内阻下降,放电时内阻上升
低阻抗,根据耐压要求可调 单体标称电压 锂电池3.0-3.7V
1.2~1.5V左右
受温度影响 较大,明显的活性极化温度关系 工作范围:-25℃~+45℃ 不大,很小的活性极化 工作范围:-40℃-+70℃
充放电速度 一般充放电为1~5倍率, 最大放电可达10倍率。 充电电流越大速度越快,
10秒内即能达到额定容量的95%。 充放电时间 一次充满电5-6小时 单体数秒
功率密度 (W) 低
50-200 W 高,低阻抗带来高的功率输出 1000-2000W 能量密度 (Wh) 高
20~100 Wh 低,为蓄电池的1/10, 3-15 Wh 充放电效率 %
>95%
>95% 循环寿命,次 平均约为5000~10000次
大倍率充放电对寿命影响较大 >10万次 
荷电保持能力 存在低自放电
几乎不存在自放电 环保 即使采用无害化学材料,仍然具有潜在污染 几乎不存在化学污染
工程使用 单体的大规模串并联 单体的大规模并联,采用均压措施后可以串联使用 使用维护
电池密封免维护
彻底免维护

 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。一电蓄电池
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。
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

 
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)储存电容量大一电蓄电池。
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,一电蓄电池,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。

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