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陶瓷叠片式超级电容器构成的电源系统  

2014-04-05 10:25:38|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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美国德州一家研制电动汽车储能装置、名为EEStor 公司在2006 年4 月发表的专利:由陶瓷叠片式超级电容器构成的电源系统。
    EEStor 公司在2007 年1 月16 日对外宣告了他们『里程碑』式的成果:由高纯钛酸钡制造的超级电容器。
    相比目前的各种锂电池,电容器它有如下优点:
    1、充放电循环次数可达百万次,每天充一次电至少可以用两千多年。而充电电池只有区区几百次,大约1年到2年的循环寿命。
    2、具有电化学双层电容器具有的高功率性能。不同于电池的发生化学反应输出电流,电容是直接将存储的电荷释放,很容易得到高功率性能。
    3、两倍于锂离子电池的能量密度。锂电池是目前能量密度最好的充电系统,但是EEStor 的公司的超级电容器更高,能存更多的电力。
    4、充电速度快。电池充电需要按小时计算,它是依靠外部电流让内部电极和电解质发生化学反应而重新获得活性,充电电流大、充电终止电压太高不但会造成电能的浪费,还会让电池发生意外的化学反应(例如产生气体、电极结晶)而发生爆炸、短路等故障。而电容是直接电荷的存储,只需要考虑的是电压不要过高(会导致电介质击穿),所以充电时间短,一般为秒级或者分钟。
    平板电容公式为C=εS/4πkd。得到结果为法拉(F)。
    平行板电容器的电容c跟相对介电常数ε成正比,跟正对面积成S正比,跟极板间的距离d成反比,其中式中的k是静电力常量,k=9.0×109 N·m2/C2。
    真空的相对介电常数ε为1,而钛酸钡的相对介电常数ε为几百到几万。
    这样我们算得在真空环境中,正对面积为1cm2 ,极板间的距离1um的电容约为1nF;
    如果相对介电常数为10000钛酸钡,极板间的距离1um的电容约为10uF/cm2;极板间的距离10um的电容约为1uF/cm2。
    按照EEStor 公司的说法:首先选用相对介电常数很高的钛酸钡,还有就是增加正对面积。为了得到很大正对面积,通常的做法是采用很薄的电极材料进行卷绕。如果电池平铺的厚度为0.1毫米,那么在10厘米见方的盒子里(和一个电话机差不多大小)电容实际平铺面积可达105cm2 ,这时的电容量为1法拉(相对介电常数为10000钛酸钡,极板间的距离1um)。
    如果再按照3千伏充电电压,那么可存储电量3000库仑,全部放电做功9000千焦耳(暂时没有考虑放电电压下降导致做功减少),相当于2500WH或者700AH的3.6V电池。算起来存储的电量还比较可观。
    其实钛酸钡很早就用于制造电容了,我们常用的独石电容就是。不过这种电容的耐压很低。例如有一种贴片电容可以做到4000层,容值能做到100uF,大小也就3225(1210),耐压才6.3V。
    根据EEStor 公司提供的信息,他们的超级电容的电容量应该不大,大约为几个法拉甚至只有零点几法拉。这么大的电容量并不算什么:目前商品化的超级电容电容量已经达到几千法拉了。EEStor超级电容的关键是高电压:因为存储的能量和电容两端电压的平方成正比:W=U2C,提高电压可以更多的提高电容存储的能量。EEStor说他的超级电容耐压可以达到数千甚至数万伏。目前商品化的超级电容虽然电容量已经达到几千法拉,但是耐压才2.7伏。所以高耐压对所用的钛酸钡材料是一个很大的挑战。
    再有就是它的放电电路和充电电路是特殊的:数千甚至数万伏需要经过直流转换(DC-DC)才能供设备使用;充电时要提供终止在数千甚至数万伏的恒流源。可能还能找到耐压数千伏的晶体管,可是耐压数万伏的晶体管不知道那里能找到?或者要用到电子管或者还没有推出的氮化镓晶体管了。
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