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电容器向快速充电与大功率电池迈进  

2010-08-20 20:32:16|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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   北京集星联合电子科技有限公司(Supreme Power Systems Co., Ltd.)是一家专注于新能源领域的革命性储能产品——超级电容的研发和商业化应用的创新兴企业,面向汽车、工业、民用领域提供高效、可靠的储能元件和系统产品,以提高电源的效率和可靠性。尤其参与并支持电动汽车、风能和太阳能等可再生能源、工业节能降耗等产业的发展,始终致力于成为高性能、高可靠、高效率和长寿命、环保的绿色储能系统的领导者。

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      充电1分钟即可驱动小型笔记本电脑运行近1个半小时--在2004年10月于幕张MESSE举行的IT博览会“CEATEC JAPAN”上,这种快速充电的演示成了人们关心的话题。
  一般笔记本电脑的充电电池要充满电至少需要1个小时。但“电双层电容器”却大幅缩短了这一时间。

半永久性使用无需更换
  传统的充电电池由于通过电解液与电极之间发生的化学反应来产生电力,因此充电时需要花费一定的时间。经过多次充电和放电后,电解液逐渐分解、材料变质,性能也随之下降,用上几年后大都需要更换。
  与此相比,电容器不产生化学反应,可以直接将电力贮存起来。不仅充电所需的时间非常短,还能在瞬间释放出大量电流,输出功率很大。由于充电和放电可反复进行数十万次以上,所以基本上无需更换,可以半永久性地使用。
  但原有的电容器存在能量密度低的缺点,如果电流强的话不能长时间保持。因此,像原来钮扣型电容器那样的小型产品,只能作为电子设备内存等部件的备用电源来使用。
  近年来,能量密度得到提高的大容量电容器相继问世,但尺寸也随之增大。因此应用范围被局限于混合动力卡车等对尺寸要求不太严格的产品。前面提到的演示活动使用的电容器就属于这一类,长宽都是20cm,厚度在5cm左右。
  从近来的发展趋势来看,电容器电池大幅度减小尺寸已经指日可待。因为能量密度可望提高到与镍氢充电电池相当的水平。干电池大小的镍氢电池产品已经得到广泛普及。也就是说,可快速充电、半永久性使用的充电电池也已经有望将体积减小到只有干电池的大小。
  本文开头提到的演示是由日本动力系统(横滨市都筑区)进行的,该公司开发本部长土居 仁表示:“我们的目标是减小可驱动笔记本电脑的电容器尺寸,直到尺寸只有辅助蓄电池大小。
    直接将电力贮存起来
 电双层电容器的原理大致是这样的:在施加电压进行充电时,从正极所使用的碳中释放出带负电的电子。失去电子的部分成为带正电的空间(空穴),因此可以吸引电解液中的阴离子。
  电子通过集电极流向负极,与电解液中的阳离子相互吸引接合在一起。空穴与阴离子、电子与阳离子都持续保持着数个原子大小的距离(电双层)。这就是电的贮存状态,即使停止充电也不会发生变化。
  当电容器连接到电气设备上供电时,电子就从负极返回正极,离子也离开电极。电子朝着与充电时完全相反的方向移动并形成电流。由于不发生化学反应,所以可在短时间内完成充放电。
  电容器电池的性能之所以能得到大幅度提高,原因就在于改进了可有效发挥电容器性能的电路,以及电极所使用的碳素材料。这项开发工作一直是由动力系统公司会长冈村 迪夫主持进行。冈村于1987年创立了冈村研究所(2004年11月与动力系统公司合并),从1992年开始研究如何将电双层电容器应用于电力的贮存。
  为了有效发挥瞬间释放出很大电流这一优势,当时对如何减小电容器内部的电阻进行了认真研究。因为他们考虑到,如果内部电阻高的话将有更多的能量转化为热能,从而降低充放电效率。但另一方面,减少内部电阻的话又很难提高能量密度。
  于是冈村等人着手开发优先提高能量密度的碳素材料。尽管内部电阻很高,但可以通过电路来抑制能量转化为热能。最终“将性能提高了20倍”(冈村)。冈村将这种由新材料与电路组成的蓄电系统命名为“ECaSS”。
  随后又以冈村创立的研究所为中心,与20家希望将ECaSS投入实用的公司进行了联合开发。电双层电容器的能量密度之所以能接近镍氢电池,主要还是得益于这一过程中诞生的碳素材料。这是由冈村研究所与合作伙伴之一--物理化学仪器厂商日本电子共同开发出来的。
    离子潜入碳素材料
  电双层电容器的电极原来使用的是碳经过高温处理后形成的活性炭。由于表面有无数的细小孔穴,所以作为电极使用的话增加了与离子相接触的表面积,可以贮存更多的电量。但孔穴大小不规则则是存在的问题。孔穴太大的话难以充分发挥单位面积的效率,太小的话又和没有孔穴一样。
  在研究增加活性碳接触面积的过程中,研究人员发现了一种特殊现象。如果将经过更长时间高温处理的碳材料作为电极的话,即使没有细小的孔穴也能贮存比以前多出数倍的电量。
  经过调查发现,离子在碳的内部,打开一个与自身大小相符的纳米(1纳米=10亿分之1米)级的细小孔穴。根据这种现象特意制造出碳素材料,冈村将其命名为“纳米门·碳”。
  随后冈村研究所与日本电子又各自继续进行研究,但率先发表成果的却是日本电子。并实现了利用纳米门·碳技术的独家碳素材料,于2003年10月发表了能量密度大幅提高的电容器。
  日本电子的电容器开发子公司高级电容器技术(ACT)公司经营管理部长江口 纯一解释说:“通过采用制造方法与分子结构与原来完全不同的碳,使得单位面积的能量密度达到原来活性碳的10倍左右。”受这一消息的影响,日本电子的股价连续5天涨停。
  动力系统公司也开发利用纳米门·碳技术的电容器,产品性能比原来有所提高。估计两家公司都将在2005年就开始量产,日本电子的目标是在2006年度达到50亿日元的业务规模,而动力系统则计划将业务规模到2007年度提高到100亿日元以上。冈村面露微笑地说:“现在终于渡过了试制阶段,开始考虑商业销售的问题了。”
  但面临最大的课题就是成本问题。两家公司都认为“可以通过量产大幅度降低成本”(ACT社长宇佐美享),但电容器内部的单元至少目前的价格是平均每个数万日元。也就是说,为了增加容量而将单元并排加工成箱形的话,价格将达到数十万日元到数百万日元。
    抢占混合动力车市场
  因此各公司都考虑充分发挥输出功率大的优势,希望能形成大批量生产,面向混合动力车等进行销售。由于目前单位体积的能量密度赶不上锂离子电池,所以这种电容器还不适合像手机那样的小型设备。眼下正在以能适用于小型设备为目标进行改进,加紧通过量产效果来降低成本。
  虽说如此,但充电电池已经在从手机到混合动力车的各种领域里得到广泛应用。同时还不断有新技术问世,如NEC开发出的充电时间短的有机快速电池。在充电电池市场上排名首位的三洋电机能量研究所长米津 育郎坚持认为:“(电容器)的许多不足之处已经被克服,同时充电电池也在不断发展。”
  一边是成本问题虽然尚未解决、但性能已经提高的电容器,一边是早已投入量产、性价比也已经得到公认的充电电池。电容器终于站在了电池的起跑线上,与遥遥领先的充电电池间的距离有望逐步缩短。

 

 

 

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