[zt]清洁环保型存储电能器件EDLC

2008-08-18 09:39:58

http://www.caepi.org.cn/highlights/5191.shtml

有人说“谁掌握新材料,谁就能控制新技术;谁掌握新技术,谁就能控制世界。”姑且不谈这句话的偏激性,从电子元器件是现代基础技术的角度看,也不无道理。作为面向21世纪的电子元器件技术,似乎也能与人体作一类比:例如,由新材料和电路构成的微处理器,它和人脑的某些功能相像,难怪人们把由它组成的计算机称作电脑;以电荷耦合器件CCD为基础的固体图像传感器和以CMOS工艺为基础的图像捕捉和图像处理单片器件,具备人眼的部分功能,可以称为电眼;那么说电子机器的电源部件好像人体的心脏一样,恐怕也不会有疑议。不管类比也好,掌握新技术也好,无非是说,电子元器件极端重要。而电子器件中的能源变换器件(电池、蓄电池和双电荷层电容器),显得尤为重要。在当今地球上生活有65亿人口,大家都珍惜地球环境,因此能源变换器件的废物不要污染地球环境,这比什么都重要。现在实用化的双电荷层电容器正是清洁的电能储存器件,它和太阳能电池构成了理想电源系统,令人瞩目。

一、双电荷层电容器

大约20年前,出现一种双电荷层电容器EDLC(Electric Double Layer Capacitor),也叫作电偶极子层电容器。顾名思义,EDLC是利用极化电极和电解质的界面处累积的双电荷层制作的大容量电容器。由于EDLC的电容值高达几十mF甚至数百F,它存储的电能不亚于某些蓄电池,因此,正日益获得广泛的应用。

1.EDLC工作原理

把两块碳(C)板插入硫酸水溶液(H2SO4)中,将一块碳板接到电池的正极,而把另一块碳板接到电池的负极。这时,硫酸在电场的作用下开始电离,形成(H2SO4→H++H-4SO)正离子H+和负离子HSO-4,于是负离子泳向接正电极的C板、正离子泳向接负极的C板;当把电池与两块C板的连接断开时,原接正极的C板上保存有负电荷而原接负极的C板上的保存有正电荷。若把电珠(灯泡)用导线接入2个极化的C板之间时,则发现小电珠能持续发光一段时间才熄灭。这说明,插入硫酸溶液中的两块C板,可以充电和放电。这就是最简单的EDLC,是在正极化C板与硫酸溶液的两相物质界面处形成电偶极子层,同样在负极化C板与硫酸溶液的两相物质界面也形成电偶极子层,两个极化C板之间形成电偶极子层电容器(或称双电荷层电容器)。关于电偶极子层的电荷分布模型有多种。这里仅介绍Helmholts结构模型的电容值表达式:C=∫ε/4πδds。其中ε,是电解液的介电常数,δ表示电极表面到离子层中心的距离(实际上相当于电偶极层的厚度),s为电极表面的面积。从中不难看出, δ是很小的量,只要能设法提高介电常数ε和扩展电极表面的面积,便可获得大容量双电荷层电容器。

2.EDLC技术水平

鉴于EDLC器件的重要性,美国能源部DOE推行的电动汽车用EDLC可行性研究计划,近期目标实现5Wh/kg的能量密度和500W/kg的功率密度;长远目标将要达到15Wh/kg和1500W/kg。美国三大汽车巨头成立USABC(US Advanced Battery Consortium)机构,专门从事主持EDLC等研究与开发。日本政府部门推行的新太阳能规划(New SunShine Project)吸引很多日本高技术企业参加,EDLC研究与开发是重要项目之一。

现在,日本很多企业和大学都开发出EDLC试制品、诸如松下电器、NEC及东京大学分别开发出2.3V(470F)、120V(18F)和45V(15F)的EDLC。但是,重量能量密度仅为2.5Wh/kg,功率密度是518W/kg。松下电器旨在选用ε值较高的有机电解液(铵盐溶于聚碳酸脂等形成电解液,其电解电压高达2.3--3.0V,极化电极选用活性碳纤维布和活性碳,制作轻便小巧的EDLC产品。例如,它的E.F型EDLC产品酷似钮扣状电池,可为DRAM芯片后援供电,也可同振子发电机组合为电子手表长期供电;它的AL型EDLC是圆筒状,可取代小型蓄电池。日本NEC公司着眼于功率EDLC产品开发,选用30-50%的H2SO4水溶液作为电解液以期获得较高导电性能,以固体活性碳作为电极,力图扩大电极表面积,开发出许多大功率的EDLC器件。例如,NEC的12V(200F)EDLC产品,等效串联内阻ESR为100mΩ,外形尺寸为85×85×300mm3它的另一种便携式6V(340F)EDLC新产品,其ESR为100m　,外形尺寸为85×85×150mm3。这种EDLC产品最适合于作为负载电流为50--00mA的便携信息终端或无线电收音机的电源,若同太阳能电池板组合应用供电,更为理想。

3.EDLC器件独到特点

EDLC器件是一种较为理想的储存电能的器件,具有如下一系列独到的特点:●它和电池以及蓄电池不同,不是利用电化学反应;而是在光电电源的电场作用下,使电解质充分电离成正、负离子后被聚集在电极和电解液的界面处,充电电源切断后在2个极化电极板上形成极为大量累积电荷,从而储存电能。由于EDLC的机制特殊,导致一些独到的优点1)可以大电流在很短时间实现充放电,其功率密度高于所有电池和蓄电池;(2)在很宽的温度范围内,表现出稳定的充放电特性,而且充放电次数(蓄电池充电1次后进行放电到再次充电前称为1个充放电周期,现行产品仅耐500个周期)几乎是无限的,也不需要维护,充电设备极为简单;(3)在放电时即使是短路也无妨,不会造成EDLC损坏,一经生产出EDLC合格产品便是半永久型的;(4)EDLC器件的电极采用C元素和无机电解液(或有机电解液),即使废弃后丢掉也不会造成环境污染,而铅酸蓄电池或NiCd蓄电池的废弃物若不回收则造成环境污染。●利用H2SO4水溶液作为电解液的EDLC器件,由于电解液导电率较高,便于制作低ESR的大容量储存电能的器件,尽管其电解电压仅为1.2V1)利用固体活性碳作为电极,通过增加表面积可制作单元EDLC,电容值可达1000F以上;(2)单元EDLC可通过内部叠层结构,制造多单元EDLC串联的高压EDLC,如像6　12V(340　200F)的EDLC产品,其结构十分紧凑,而且实用、可靠、成本低廉。EDLC器件最大的缺点是能量密度过低,现行的产品仅为2.5Wh/kg,连密封型铅酸蓄电池的能量密度(35Wh/kg)都不如,两者相差1个数量级以上。人们迫切期望EDLC研究与开发取得突破性进展,譬如说把能量密度由2.5Wh/kg提高到15Wh/kg。

二、应用实例

综上所述,EDLC器件除了在小负载电流情况下可取代蓄电池之外,由于它的功率密度高和廉价的特点,只能同高能量密度器件或设备组合应用才能获得良好效果。

1.作为汽车辅助引擎

众所周知,电动汽车已有新产品上市,因为蓄电池的功率密度低,EDLC作为辅助电池,帮助电动车辆启动和爬坡以及加速发挥出重要作用。这类功率EDLC器件能以100A电流强度放电30秒,用于直流电动机加速;同样,当车辆下坡或急煞车时,利用直流电动机可逆性发电为EDLC充电,实现能量回收。不过电动车辆产品有限,还未达到普及应用的地步。可是,作为无排气车辆ZEV(Zero Emission Vehicle)的过渡型车辆(混合引擎汽车),现已开始普及。混合引擎汽车里,把能量密度高达400Wh/kg的汽车发动机压缩形成小型高效引擎,利用直流发电机和功率EDLC的组合体作为辅助引擎,发挥出减少大气污染的良好效果。现在,使用混合引擎汽车蔚然成风,EDLC器件功不可没。
 

2.新型太阳能电源

 太阳能电池种类也比较多,诸如单晶硅、多晶硅和薄膜无定型硅太阳能电池,近年来单元太阳能电池的光电转换效率有所提高。研究与开发的单元太阳能电池光电转换效率,有的已达到23%以上,但这毕竟是研究水平。且说,实用的单元太阳能电池现已具备接近20%的光电转换效率,太阳能电池板(模块)也已高于10%以上。也就是说,太阳能电池模块进入普通家庭的时代终于到来。在这方面,日本通产省高度重视家庭太阳能电池发电系统,并且给予资助。特点是12V(800F)的EDLC与太阳能电池模块组合,可以构成新的清洁电源系统。这个电源系统的特点1)清洁,无环境污染;(2)系统可伸缩性良好,用户可根据自己场地情况和需要的负载电流,自行调解太阳能电池模块数量和EDLC器件数量。值得提及的是,图1所示的新太阳能电源系统只限于为某些小型家庭供电,诸如为家庭换气风扇、多功能收录机之类的设备供电。它只能是新太阳能电源系统的其本结构,真正作为家庭发电系统,尚需扩充很多设备。尽管如此,这种新电源系统的意义是非常重大的,使我们看到21世纪家庭电源系统的曙光。