長安儲(chu) 能研究院科學家陳元振 西安交通大學教授，在國際一流期刊上發表文章70餘(yu) 篇，主持國家自然科學基金2項。 長期從(cong) 事能量存儲(chu) 與(yu) 轉換、低溫餘(yu) 熱回收與(yu) 發電係統研究。
在比賽場上，人們(men) 感受不同賽事帶來的力量之美！有人善於(yu) 爆發，像百米飛人比賽，炸裂式的肌群拉彈看得讓人血脈膨脹；也有人善於(yu) 耐馳，像馬拉鬆比賽，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，盡顯運動魅力。
而在儲(chu) 能界，也同樣存在“力量之美”。能量型器件猶如田徑界的長跑者，擁有持久能量輸出的能力；功率型器件猶如百米飛人，擁有驚人的爆發力，可短時快速輸出能量。目前，在實際應用中，能量型器件得到了更多的青睞。尤其像動力電池，3C電池，儲(chu) 能電池等，其主要原因是大多數應用場所屬於(yu) 中等功率或低功率應用場所，因此電池即可滿足其應用條件。然而，對於(yu) 電池而言，其功率輸出並不高。從(cong) 圖1中我們(men) 看出，能量和功率似乎是此消彼長的關(guan) 係，若其能量密度高，則其功率密度偏低，反之亦然。因此，對於(yu) 高功率輸出要求下，則需要用到另一類電源設備-超級電容器。
圖1 不同器件的能量與(yu) 功率密度圖
在當前儲(chu) 能應用中，超級電容器盡管沒有電池應用那麽(me) 廣泛，但也有其不可替代的領域。在介紹其應用之前，先介紹其三個(ge) 核心特點：
功率密度高。即可短時間之內(nei) （幾秒-幾分鍾）即可充滿或釋放電能，最高功率密度通常能達到10 kW/kg以上，該特點主要由其儲(chu) 能原理決(jue) 定。目前主要基於(yu) 兩(liang) 大快速儲(chu) 能原理，即物理吸附和法拉第贗電容電化學反應。物理吸附好理解，離子吸附得快，釋放得也快。另外一個(ge) 是法拉第贗電容電化學反應，可以理解成表麵淺層區的電化學反應。一旦涉及到電化學儲(chu) 能，便會(hui) 涉及到離子的擴散。離子從(cong) 表麵擴散到材料芯部則會(hui) 比較慢，這也是電池功率低的主要原因。而離子從(cong) 表麵擴散至近表麵的淺層區是比較快的，所以，其離子擴散路徑短，因此功率密度高。但這兩(liang) 種儲(chu) 能機理下所存儲(chu) 的能量多比較小，因此其能量密度小。
壽命長。基於(yu) 物理吸附的超級電容器一般會(hui) 在100萬(wan) 次以上，基於(yu) 贗電容的超級電容器也能達到幾萬(wan) 次以上。然而，一般的電池壽命僅(jin) 有2000-4000次循環壽命。主要原因是物理吸附對材料的結構不造成損傷(shang) ；而法拉第贗電容電化學反應也僅(jin) 發生在材料近表麵區，對材料結構也沒有造成太大傷(shang) 害，因此，壽命較長。而如鋰離子電池等，離子從(cong) 表麵擴散到芯部會(hui) 使材料整體(ti) 發生較大的晶格畸變，離子脫出時又會(hui) 經曆一番畸變，如此往複循環，晶格就會(hui) 疲勞破壞，從(cong) 而使離子儲(chu) 存能力下降，能量密度降低。
能量回收效率高。因為(wei) 超級電容器對大、小電流是“來者不拒”，更能耐受大電流充電，所以，對於(yu) 製動能量回收非常有利。目前，可知的最高能量回收效率可達45%。同時，這一特點也為(wei) 其與(yu) 電池配合使用創造條件，比如儲(chu) 能電池中，不穩定的新能源電力對電池的衝(chong) 擊都可以使用超級電容器來緩解，起到保護電池的作用。
因為(wei) 超級電容器具有以上三大特點，使其在某些場景表現出獨特的優(you) 勢。
場景一：頻繁啟動與(yu) 製動場景。比如地鐵，公交車，行車等。以地鐵為(wei) 例，它會(hui) 在進站時將能量高效回收並儲(chu) 存在超級電容器係統中，出站時用可以使用電容器啟動地鐵，這樣可以有效節約電能。據報道[1]，廣州地鐵應用該電容係統，場站綜合儲(chu) 能電源平均節約電能1400 kWh/天·站，每年減少排放490噸二氧化碳，每年節約電費約51萬(wan) 元。1條地鐵線按照20個(ge) 站考慮，每年可減少排放9800噸二氧化碳，每年節約電費1020萬(wan) 元。
圖2 超級電容器地鐵應用係統
此外，超級電容器在高鐵上也將會(hui) 有很好的應用前景。其能量回收將更加顯著。另外，電容公交大巴在上海早已運行多年，盡管能量密度低，但是其充電快，壽命長，非常適合於(yu) 這種短途，頻繁啟動/製動場景。
場景二：高功率短時輸出場景。在最新一代的高端武器研發中，高功率器件是不可或缺的核心裝備之一，比如激光武器，電磁脈衝(chong) 武器等，這類武器需要電源在短時間內(nei) 輸出巨大能量以達到摧毀目標的目的。超級電容器成為(wei) 該類電源的不二之選。通過合理的電源管理設計可以實現連續的高功率輸出。
圖4 艦載激光炮
場景三：固定式充電樁/移動充電機器人。汽車動力電池充電時，未來發展方向一定是快充技術，無論是固定式充電樁還是移動充電機器人，麵臨(lin) 的挑戰都是高功率充電技術，而超級電容器無疑也成為(wei) 突破這一技術的重要選擇對象，尤其是移動充電機器人，“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電容器，可以很好地實現這一目標，讓快充技術更進一步。
圖5 移動充電機器人[2]
超級電容器具備獨特的高功率、長壽命和高效的能量回收等特點，使其在某些場合成為(wei) 不可替代的電源係統。而如何擴大超級電容器的應用領域，除了超級電容器電芯在功率和能量輸出方麵提升以外，在超級電容器電源管理係統等也需要同步發展。在大規模儲(chu) 能方麵，非常有潛力成為(wei) 儲(chu) 能電池的輔助器件，通過共建“雙電”模式，以實現提高脈衝(chong) 充電能力並延長電池壽命的目標。
作者聲明：本內(nei) 容僅(jin) 代表作者個(ge) 人觀點，與(yu) 他人無利益衝(chong) 突。
參考內(nei) 容：
（1）雙碳科技創新十大典型案例摘編——“超級電容器綜合儲(chu) 能電源技術推動地鐵節能減排”項目
（2）可自已尋找電動車 愛馳汽車研發移動充電機器人-電車資源
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