电池研发

传统电池 生产和生活最常见的铅蓄电池，可将电能通过化学反应储藏起来，到另一个场合或另一时段使用。铅蓄电池虽然造价较低，但也有相应的弱点，诸如能量转换效率较低、电池反复充放电易老化导致使用寿命短、比能量（Wh/kg）和比功率（W/kg）小使设备笨重、充电时间长等。我们在手机上使用的锂离子电池，虽然也有许多优点，但它价格昂贵且储藏电能有限，不能在大功率场合下使用；所以正在开发研制的超级电容电池，相比较而言，就有着一般电池无可比拟的优点，它的前景不可限量。  结构原理 结构 超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也称作“电容电池”或说“黄金电池”。超级电容器电池也属于双电层电容器,它是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。  传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数为ε)所隔离,电容值为:C = ε·A / 3.6 πd ·1-6 (μF) 其中A为极板面积,d为介质厚度。所储存的能量为: E = C (ΔV)2/2，其中C为电容值,ΔV为极板间的电压降.可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A或减少介质厚度d，但这个伸缩空间有限，导致它的储电量和储能量较小。 工作原理 双电层电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,由于活性碳材料具有≥12m2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A),而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d),根据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高1倍以上, 从而使单位重量的电容量可达1F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平，碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能，且在实际使用时，可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。 特点 （1）充电速度快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上；而现在使用面积最大的铅酸电池充电通常需要几个小时。 （2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达5万次，如果对超级电容每天充放电2次，连续使用可达68年如果相应地和铅酸电池比较, 它的使用寿命可达68年, 且没有“记忆效应”。 （3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥9%。 （4）功率密度高，可达3Wh/kg~5Wh/kg，相当于普通电池的数十倍；能量比大大提高，铅酸电池一般只能达到.2kWh/kg，而超级电容电池目前研发已可达1 kWh/kg。 （5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。 （6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护。 （7）超低温特性好，使用环境温度范围宽达-4℃～+7℃。 （8）检测方便，剩余电量可直接读出。 （9）单体容量范围通常.1F--1F 。 注意事项 1、超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。 2、超级电容器应在标称电压下使用： 当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。 3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。 4、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。 5、在焊接过程中避免使电容器过热： 若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的使用寿命，例如：如果使用厚度为1.6mm的印刷线路板，焊接过程应为26℃，时间不超过5s。 6、将电容器串联使用时： 当超级电容器进行串联使用时，存在单体间的电压均衡问题，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响，故在电容器进行串联使用时，需得到厂家的技术支持。 比较 一、为何电容比电池更好的理由 1、电容的稳定，工作温度范围-4~8℃和实际应用上价格高于电池。在多云或雨天仍然可充电。此创新触点设计减少了周期性的更替和电池工业上的浪费。及时相较之下，虽然电容充电少于电池，但定容放电的稳定型设计，更能提升他的寿命。 2、重复性充电电池逃过化学作用进行充放电，其性能表现随着时间逐渐变差。理论上来说没电池寿命周期为2,~3,回次（约5~8年）。实际数据研究证实仅约3~5年而已。因此，持续不断使用情况下，电池每3~5年就要更换。因电池的设计对气候条件敏感，需在-2~45℃之下作用。因此放置于室外环境是相当不便。 二、电容（超级电容）和可重复充电电池（镍镉和镍氢） 于使用与储电设计的几个简单概念如下： 电容电力储存尚属于新兴科技。为了达到最理想的功能性，结合传统电容器的优点和可重复充电电池的特性。电容利用物理反应，只要整流器的充电动作，介于两极之间（充电和非充电过程）。经实验研究发现电容回应快速而且不会有随时间而性能明显衰退情况。事实上，电容的寿命至少有1,周期，并且延续将近274年。 三、电容与电池比较 比较项目 电容 电池 工作温度 -4~8℃ -2~45℃ 寿命 1