超级电容的优劣势与未来应用

2013-11-09 17:44:46来源: 互联网

    现在,当说到电动汽车动力总成设计时,“电池”不再是唯一浮现我们脑海中的词汇。随着储能技术的发展,“超级电容”的诞生为电动/混动汽车开启了全新的篇章。超级电容是继机械式储能方式和化学式储能方式之后的第三代储能方式——物理式储能方式。

    超级电容的最大优点在于能够快速地进行充放电,并且功率密度要远高于镍氢电池。得益于此,超级电容不仅能够起到储能、供能的作用,而且还具有使电动汽车短时功率提升的效用。

    高科技研究公司Lux Research分析师Cosmin Laslau表示,超级电容不仅具有超高充放电效率,同时还能给制动能量再生系统和启停系统带来积极作用。一些欧洲和日本车企的微混汽车中采用超级电容,因为这些车型主要针对经常需要启停的城市路况,超级电容能更好地进行能力回收。今年的法兰克福车展上,丰田Yaris Hybrid-R便采用了超级电容。

    Lux Research公司表示,现在全球消费电子业务营收额约为3.66亿美元,其中包括超导体和涡轮叶片控制器这类元件。该公司预计,这项数字将以每年18%的幅度增长。到2018年,重型商用车中将大幅配备超级电容,营收额将达3.23亿美元,而乘用车中设计超级电容的营收额将达到1.52亿美元。

    该公司近期发布了一项名为《交通和电子产品中超级电容的增长趋势》的研究报告。

    传统电池通过缓慢的化学反应产生电能,而超级电容是通过在电极表面高速移动电子产生电能,也就是说超级电容能的产电效率更高。每个超级电容中含有一对图上了活性炭的金属板。

    活性炭为多孔结构,因此其表面积非常大,无论采用化学方式还是物理方式,都能牢牢地“锁”住电荷。

    电极对浸于有机电解质中,用于加速电荷运行。当超级电容充满时,每个碳电极上拥有两层电荷载体涂层表面。这也是超级电容被称为双电层电容的原因之一。

汽车中的超级电容

    本田开创了将超级电容用于汽车的先河。2002款FCX燃料电池试验车中搭载了本田称作“ultracapacitor”的超级电容。

    不过,直到几年前标致雪铁龙与Maxwell技术公司签订合约,为旗下标致和雪铁龙微混汽车购买了一批超级电容器,用于e-HDI系统中,超级电容才算正式进入量产化应用阶段。同样地,马自达在其i-ELOOP系统中采用了类似的电容技术,使电池在保证启停功能的同时,还能实现制动能量回收的功能。

    超级电容技术的支持者表示,超级电容相比传统电池更适合于长时间工作,因为它们更稳定。不过在一般微混汽车中,车企仍然偏爱传统电池,因为搭载超级电容将附带一系列其他元件,包括直流-交流转换器、发电机等。这些元件将增加汽车的成本,除此以外,车身重量也将有所增加。

    车企主要考虑在中混汽车中使用超级电容,或将其作为一个能够提升峰值功率的元件。Lux的分析师Laslau表示:“有多家原始设备制造商的工程师对超级电容器的应用表现出兴趣,例如在中混汽车中利用30-50个超级电容形成电容组。这将实现节能7%左右。”

    Prinz团队的研究重点是解决现有燃料电池在燃烧过程中一系列问题,氧离子在高温下的移动速度远高于低温,这就意味着如果想获得高的工作效能,则必须让燃料电池保持在高温环境,原有的技术所要求的工作温度往往高于500摄氏度,但这样的高温足以融化电池中经常使用的锌材料。像熔炉或由电池功能的加热器可以用来为燃料电池提供反应初始热量,以加快氧离子穿越薄膜的速度;一旦氧气和燃料开始发生反应,所产生的热量能够反过来为薄膜加热,让它始终保持在合适的工作温度。当降低燃料电池工作温度的时候,氧化还原反应产生能量中用于加热薄膜的热量供应将会明显的降低,但同时氧离子流动速度也会显著减缓,这种情况下工程师们开始研发适用燃料电池结构的更多材料,希望新型材料既要有高的性价比,还要有过硬的质量保证。

    较低的工作温度代表着较慢的反应速度和较低的氧离子传递速度,原来的做法是在速度和温度之间做出权衡,但是Prinz团队则希望在更低温的工作环境下,他们研发的燃料电池既不会减缓氧离子移动速度,也不会降低系统的效能。他们开展的核心工作是重新设计了固体氧化物薄膜结构,使其在低温下有着更好的氧离子传递效率。氧气是制约燃料电池发展的瓶颈,这也是为什么Prinz团队把他们的绝大多数努力和创新研究都集中在了薄膜的氧气侧。

    传统的固体氧化物燃料电池薄膜都是平板结构,平面薄膜易于加工生产,但没能最充分地利用空间,所以Prinz团队对这种薄膜进行了一系列的提升。首先,它们设计制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平,从而增大了可以用来传递氧离子的表面面积;其次在起皱的表面设计出微型颗粒凸起结构,看起来跟砂纸类似,进一步增加了固体氧化物和氧气的潜在接触点;然后薄膜的厚度也得到了不小的减低,氧离子移动到燃料侧变得更简单方便。这款创新薄膜厚度仅有60纳米,大约是玻璃纸厚度的两百分之一。

    Prinz团队工作人员还提到了一项提高燃料电池效能的创新技术,那就是他们为薄膜喷涂了一种全新的催化剂,但具体材料还没有公布。最后工程师们还为催化剂层使用了纳米级颗粒凸起结构,与砂纸式薄膜表面结构有着异曲同工之妙:氧离子有更多的机会被吸收,以参与之后的氧化还原反应。

    Prinz相信他们的新技术将有效地推进低温环境下固体氧化剂燃料电池的研发进程,低温高效能的特性为将来推广到商用供电电源领域打下了坚实的基础。

关键字:未来  应用

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/1109/article_8131.html
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