超級電容器在電力電子系統中的應用
——評《超級電容器及其在儲能系統中的應用》

李向超

(鄭州鐵路職業技術學院機車車輛學院，河南 鄭州 450000)

隨著生產的發展、生活水平的提高，人們對能源存儲的要求越來越高。超級電容器具有使用壽命長、功率密度高等特點，近年來已被廣泛應用到電動汽車、通信、電力電子系統等領域。王凱等著的《超級電容器及其在儲能系統中的應用》一書聚焦于超級電容器的研究，對超級電容器的結構組成、電極材料、電解質、熱行為、性能測試方法以及健康管理方法等進行詳細的介紹，為進一步的應用提供理論基礎。

《超級電容器及其在儲能系統中的應用》一書由7章組成。第1章是緒論，對超級電容器的發展概況和應用前景等進行簡要介紹；第2章聚焦于超級電容器電極材料的研究，包括電極材料的制備方法、性能測試等；第3章詳述超級電容器電解質的相關內容，包括電解質的種類、性能要求等；第4章對超級電容器的分類、結構以及特性進行詳細的闡述；第5章探討堆疊式、卷繞式、混合型等3種類型的超級電容器的熱行為；第6章給出一種超級電容器測試系統，用于測量充放電電流恒定狀態下超級電容器的性能；第7章闡述超級電容器的健康管理方法。

1 概述

超級電容器是一種儲能裝置，具有能量密度高、功率密度高、循環壽命長和充電時間短等特點。在小功率電子設備及系統(如電動玩具、交通信號燈和無線電波接收器等)中，超級電容器可用作主電源或替換電源；在電動汽車中，超級電容器因具有壽命長、功率密度高的優點，常作為電能儲存容器，替代常規的電化學電池，為電動汽車提供足夠的功率及超長的續航時間；在電力系統中，超級電容器可與太陽能電池混合使用，也可單獨應用于風力發電站、水力發電站等分布式發電系統中，以提高發電系統的可靠性；此外，超級電容器還可應用于航天、通信等領域。

2 電極材料及電解質

在超級電容器中，電極材料是影響儲能特性的關鍵因素。氫氧化鎳[Ni(OH)2]作為一種過渡金屬化合物，價格便宜，在堿性溶液中穩定性強，且理論容量高，常用作超級電容器的電極材料。該書以Ni(OH)2為原材料，給出了幾種不同的電極材料的制備方法，并對性能進行了測試。第一種是利用稀釋法制備Ni(OH)2。將7.8 g六水合硫酸鎳(NiSO4·6H2O)加入30 ml去離子水中，攪拌均勻后形成NiSO4溶液；然后將2.4 g NaOH稀釋，緩慢滴入NiSO4中，控制Ni(OH)2慢慢析出。將Ni(OH)2研磨后，按9∶1的質量比與石墨混合研磨，加入無水乙醇攪拌均勻，并加入聚四氟乙烯；將混合后的糊狀物質壓制成0.5 mm厚的片狀物，在80 ℃下烘干至恒重，最后壓制到泡沫鎳網集流體上，并切割成小塊作為電極。以3 mol/L KOH溶液為電解液、飽和甘汞電極為參比電極、鉑片為輔助電極，構成三電極體系。XRD分析表明，Ni(OH)2內部由許多薄片彼此交替堆積而成，結構為鱗片狀，可增加電極材料的比表面積，因此電解液與電極的接觸面積較大。當放電電流由2 mA增至10 mA時，Ni(OH)2電極的比電容逐漸減小。當充放電電流為10 mA時，Ni(OH)2電極首次循環的比電容高達1 000 F/g。以10 mA的電流在-0.05～0.50 V進行200次充放電，Ni(OH)2電極的比電容有所衰減，但電容保持率仍高于93%，說明該電極的循環穩定性良好。第二種是利用稀釋法制備氧化鎳(NiO)。以上述Ni(OH)2為基礎，在管式爐中、氮氣保護下，于300 ℃加熱3 h，得到NiO樣品。以NiO替換Ni(OH)2，重復上述電極的制備步驟，得到以NiO為電極材料的三電極體系。XRD分析表明，NiO內部由許多薄片彼此交替堆積而成，結構為花球狀，因此電解液與電極的接觸面積較大，且晶化程度較小。當放電電流由5 mA增至20 mA時，NiO電極的比電容逐漸減小。在電流為5 mA時，NiO電極首次循環的比電容高達405 F/g；在0～0.37 V進行200次充放電，NiO電極的比電容為365 F/g，電容保持率高于90%。

電解質作為超級電容器的組成部分，同樣不可或缺。電解質的性能應滿足以下要求：①具有較高的電導率和化學穩定性；②對溫度的適應性較寬；③電解質中的離子尺寸需適應電極材料的孔徑；④電解質需對環境友好。在實際應用中，制備電解質的材料需具有低腐蝕性、低易燃性等特點，且應根據電壓情況、使用環境等合理選擇電解質。常見的電解質包括水性電解質、有機電解質和固態聚合物電解質等。水性電解質的成本較低，使用較廣泛，但具有易腐蝕、穩定性差等缺點，使用過程中會影響超級電容器的穩定性。有機電解質在商用電化學超級電容器市場應用多，具有更寬的電位窗口，更強的離子傳導能力。固態聚合物電解質同樣具有電位窗口寬、電化學性能好的特點，代表性物質有凝膠聚合物電解質、固態質子導體等。

3 結構設計和儲能特性

根據形式的不同，超級電容器的結構通常分為3種類型：堆疊式、卷繞式和混合型。堆疊式超級電容器是利用壓制或涂覆的方法，將正負電極材料固定在金屬集流體上，并將正極、隔膜和負極層疊相間，最后密封起來。這種形式的電容器制造簡單，但利用率不高。該書介紹了一種堆疊式超級電容器，以無紡纖維布為隔膜、Ta/Ta2O5為負極、有序介孔炭為正極、3 mol/L KOH為電解液。對該電容器進行儲能特性研究，設置充電電壓為100 V，充放電電流為1 A，在整個充放電過程中，電容器的電容基本保持穩定，沒有明顯的衰減；進行100次充放電，電容器的電容保持率為95%。卷繞式超級電容器是把正、負極涂覆在金屬箔片上，以隔膜為電解質，相互卷繞而成，制造工藝復雜，對電極材料的要求較高。將質量比85∶10∶5的有序介孔炭、石墨和黏結劑混合均勻，加入去離子水，攪拌成漿狀，涂覆在鋁箔集流體上，以接枝聚丙烯為隔膜、1.5 mol/L Et4NBF4/AN為電解液，經卷繞、鉚接和密封后，制成卷繞式超級電容器。對該電容器的儲能特性進行研究，設置充電電壓為2.7 V，充放電電流為1 A，在整個充放電過程中，該電容器的電容量基本保持穩定，并無明顯衰減；在25 ℃下充電至2.7 V，并維持恒壓30 min，計算得到電容器的漏電流為0.029 mA，在允許的范圍內。混合型超級電容器具有容量高、儲能密度高等特點。以Ta2O5為負極、二氧化釕和活性炭的混合物為正極、38%的硫酸溶液為電解質制作的混合型超級電容器，在0～10 V以恒定電流經過若干次充放電，電化學性能仍處于穩定的狀態。

4 熱行為

超級電容器的正常工作溫度為-30～50 ℃，性能可得到最大限度的發揮，如果工作溫度超出此范圍，性能就會變差。該書以3種類型的超級電容器為例，建立熱行為模型，設置物理參數，研究工作時內部溫度場的變化規律，以更好地實現應用。按上述堆疊式超級電容器的組成建立有限元模型，采用四面體網格，將該模型劃分為751 187個單元，并按要求設置各種模型參數。分別選取1 A、2 A、3 A、4 A、5 A和6 A的電流進行恒流充放電實驗，待進入穩態后，測試溫度分布狀況。實驗結果表明，當充放電電流慢慢變大時，超級電容器內部的溫度隨之升高。當電流為1 A時，最高溫度為25.9 ℃；當電流為6 A時，最高溫度達63.4 ℃。這表明，在大電流下連續充放電時，為確保超級電容器正常工作，需采取相應的制冷措施。按上述卷繞式超級電容器的組成建立有限元模型，采用四面體網格，將該模型劃分為408 679個單元，并按要求設置各種模型參數。在室溫25 ℃下，設置電流為2 A，進行50次充放電，實驗結果表明，當進入穩態后，核心區域最高溫度達42.7 ℃，相比于室溫上升了約18 ℃，需采取相應的制冷措施。按上述混合型超級電容器的組成建立有限元模型，并選擇圓柱坐標系，建立二維傳熱模型，按要求設置各種模型參數。設置內部封裝單元數量分別為1、2、3和4，隨著封裝單元數量的增加，超級電容器的內阻由0.80 Ω慢慢降低至0.41 Ω；由內阻帶來的熱損耗也隨之減少，但考慮到電流熱效應，當封裝單元為3個時，超級電容器內部散熱效果最好，可達到散熱比平衡。

5 測試系統及健康管理方法

為測試超級電容器的充放電性能，該書設計了一種超級電容器測試系統，主要由電壓電流檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管驅動電路、采樣電路、供電電路、主控單元、數據通信存儲模塊和上位機等組成。利用該系統進行充放電測試，設定充放電電流均為0.6 A，將超級電容器充電至25 V，整個充放電過程呈現充電-平穩-放電3個階段的變化。測試結果表明，由于電流恒定，在3個不同階段，電容器的端電壓隨測試時間呈線性變化，恒流狀態下可滿足充放電要求。

超級電容器在使用過程中會出現老化現象，導致壽命越來越短，科研人員利用健康狀態(SOH)來衡量超級電容器的老化程度。SOH可定義為超級電容器在整個放電過程中放出的電量占標稱電量的百分比。超級電容器的電極、殼體完整程度、電解液、制造工藝、工作時的電壓與溫度等，都會影響SOH。人們建立了等效電路模型、退化機理模型等，來預測超級電容器的壽命，此外，利用神經網絡、遺傳算法等人工智能算法，同樣可以實現超級電容器壽命的預測。

6 結語

《超級電容器及其在儲能系統中的應用》一書將理論知識和實際應用相結合，介紹超級電容器的發展態勢和應用前景，并詳細闡述超級電容器的結構組成、電極材料、電解質、熱行為、性能測試方法和健康管理方法等。該書內容飽滿、圖文并茂，可供從事儲能系統研究的科研人員參考。

書名：超級電容器及其在儲能系統中的應用

作者：王凱 等 編著

ISBN：9787111643944

出版社：機械工業出版社

出版時間：2020-03-01

定價：￥49.00元