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超級(jí)電容和鋰電池在船舶中的應(yīng)用介紹

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2022年10月22日  

1.1超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)


超級(jí)電容有時(shí)也被稱為電雙層電容器,或雙層電容器,是一種擁有高能量密度的電化學(xué)電容器,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池大小的電解電容為幾十微法拉,但同樣大小的超級(jí)電容器則可以達(dá)到幾法拉,差別可達(dá)五個(gè)數(shù)量級(jí)。電容通過電容效應(yīng)存儲(chǔ)能量,它的容量和電極的表面積以及電解質(zhì)的介電常數(shù)成正比,和電極之間的距離成反比。超級(jí)電容使用高介電常數(shù)電解質(zhì),它的電極采用多孔活性炭材料可以大大新增其表面積,這是超級(jí)電容能儲(chǔ)存巨大能量的重要原因。通常情況下,兩個(gè)電極由中間一塊多孔活性炭薄膜隔開,兩邊是水或者有機(jī)電解液。


1.2超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)


超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn):


1)高電流容量。超級(jí)電容設(shè)計(jì)時(shí)搭配一個(gè)很低的等效串聯(lián)電阻,因此電容能夠發(fā)送以及吸收很高的電流。超級(jí)電容的低等效串聯(lián)電阻能夠使電容迅速充電,電容本身的特點(diǎn)允許電容以同樣的速度充放電,這是電池做不到的。


2)使用壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容的能量存儲(chǔ)機(jī)制是高度可逆的過程,這個(gè)過程只移動(dòng)電荷和離子,而不會(huì)制造或破壞化學(xué)鍵,因此充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到數(shù)十萬次。小循環(huán)充放電和深度循環(huán)充放電都不會(huì)損害超級(jí)電容的性能,使得超級(jí)電容的使用較為靈活。此外,超級(jí)電容容易存儲(chǔ),長(zhǎng)時(shí)間放置不會(huì)對(duì)其性能造成影響。


3)溫度范圍廣。由于超級(jí)電容無需借助化學(xué)反應(yīng)就可以工作,因此能在極大的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作。超級(jí)電容能在-40℃~+65℃內(nèi)正常工作。


4)環(huán)境友好。超級(jí)電容使用的材料都是無環(huán)境污染的,在工作過程中也不會(huì)出現(xiàn)有毒有害物質(zhì)。


5)維護(hù)保養(yǎng)容易。超級(jí)電容基本上不要保養(yǎng),沒有存儲(chǔ)效能,不存在放電過量的情況,能夠在任何額定電壓或低于額定電壓的情況下工作。


6)狀態(tài)監(jiān)控容易。由于在電容內(nèi)儲(chǔ)存能量只是電容和電壓的功能,而且電容相對(duì)恒定,因此單程開放電路電壓測(cè)量就可以確定荷電狀態(tài)。


7)延長(zhǎng)其他能源的使用壽命。像電池、專業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃料動(dòng)力電池這類能源在瞬態(tài)情況下表現(xiàn)不是很好。對(duì)一些元件來說,瞬態(tài)過程會(huì)極大縮短元件的使用壽命。結(jié)合超級(jí)電容和這些能源的使用,可從重要的能源中空載很多此類瞬態(tài)值。


超級(jí)電容的缺點(diǎn):


1)能量密度低。超級(jí)電容的能量密度為1~10Wh/kg,為鋰離子電池的1/10。


2)端電壓變化較大。超級(jí)電容的端電壓在充放電過程中不斷變化,因此要在儲(chǔ)能元件和負(fù)荷之間安裝調(diào)壓裝置才能保持負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定,這使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本新增。


3)價(jià)格昂貴,超級(jí)電容單體的價(jià)格為鋰離子電池的數(shù)十倍。2.1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)


鋰離子電池是一種可充電電池,它重要依靠Li+離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中,Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時(shí),Li+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反。其原理圖如圖2所示。


超級(jí)電容和鋰離子電池在船舶中的應(yīng)用研究


2.2鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)分析


鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn):


1)高能量密度。其體積能量密度和質(zhì)量能密度分別可達(dá)450Wh/dm^3和150Wh/kg,而且還在不斷提高中。


2)單體電壓高,約為3.6V,充滿電壓時(shí)的電壓一般為4.2V,終止放電電壓不低于2.5V。


3)自放電率小,每月5%~10%,不到鎳鎘電池和鎳氫電池的一半,且沒有記憶效應(yīng),循環(huán)性能優(yōu)越。


4)輸出功率大。


5)工作溫度范圍寬。可在-20℃~60℃之間正常工作。


鋰離子電池的缺點(diǎn):


1)成本高。重要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高。隨著正極材料技術(shù)的不斷發(fā)展,可以采用LiMn2O4、LiFePO4等為正極,從而有望大大降低鋰離子電池的成本。


2)必須有特殊的保護(hù)電路,以防止過充或過放。


3)與普通電池的相容性差,因?yàn)橐话阋?節(jié)普通電池(3.6V)的情況下才能用鋰離子電池進(jìn)行替代。


3儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型應(yīng)用


關(guān)于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)而言,如何減少燃油消耗、系統(tǒng)維護(hù)成本、有害氣體排放和新增整船的穩(wěn)定性和可靠性一直是研究人員研究的重點(diǎn)。這當(dāng)中Corvus公司技術(shù)領(lǐng)先其他公司,并開發(fā)出了廣泛應(yīng)用的AT6500儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖3給出了該儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于近海支援船的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中儲(chǔ)能單元公用直流母線,直流母線通過DC/AC變換環(huán)節(jié)與交流母線相聯(lián)接,完成能量的傳輸。整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)由多個(gè)AT6500模塊組成即鋰離子電池組,能夠持續(xù)供應(yīng)大功率輸出,為船舶系統(tǒng)集成和設(shè)計(jì)供應(yīng)一個(gè)更好的選擇從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性,減少不必要的開支。

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