鉅大LARGE | 點擊量：805次 | 2022年10月22日
超級電容和鋰電池在船舶中的應用介紹
1.1超級電容器的結(jié)構(gòu)
超級電容有時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電容器，一個標準電池大小的電解電容為幾十微法拉，但同樣大小的超級電容器則可以達到幾法拉，差別可達五個數(shù)量級。電容通過電容效應存儲能量，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，這是超級電容能儲存巨大能量的重要原因。通常情況下，兩個電極由中間一塊多孔活性炭薄膜隔開，兩邊是水或者有機電解液。
1.2超級電容器的優(yōu)缺點
超級電容的優(yōu)點：
1)高電流容量。超級電容設計時搭配一個很低的等效串聯(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，電容本身的特點允許電容以同樣的速度充放電，這是電池做不到的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2)使用壽命長。超級電容的能量存儲機制是高度可逆的過程，這個過程只移動電荷和離子，而不會制造或破壞化學鍵，因此充放電循環(huán)次數(shù)可以達到數(shù)十萬次。小循環(huán)充放電和深度循環(huán)充放電都不會損害超級電容的性能，使得超級電容的使用較為靈活。此外，超級電容容易存儲，長時間放置不會對其性能造成影響。
3)溫度范圍廣。由于超級電容無需借助化學反應就可以工作，因此能在極大的溫度范圍內(nèi)運作。超級電容能在-40℃～+65℃內(nèi)正常工作。
4)環(huán)境友好。超級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出現(xiàn)有毒有害物質(zhì)。
5)維護保養(yǎng)容易。超級電容基本上不要保養(yǎng)，沒有存儲效能，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)儲存能量只是電容和電壓的功能，而且電容相對恒定，因此單程開放電路電壓測量就可以確定荷電狀態(tài)。
7)延長其他能源的使用壽命。像電池、專業(yè)發(fā)動機以及燃料動力電池這類能源在瞬態(tài)情況下表現(xiàn)不是很好。對一些元件來說，瞬態(tài)過程會極大縮短元件的使用壽命。結(jié)合超級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。
超級電容的缺點：
1)能量密度低。超級電容的能量密度為1～10Wh/kg，為鋰離子電池的1/10。
2)端電壓變化較大。超級電容的端電壓在充放電過程中不斷變化，因此要在儲能元件和負荷之間安裝調(diào)壓裝置才能保持負荷側(cè)電壓穩(wěn)定，這使得儲能系統(tǒng)的成本新增。
3)價格昂貴，超級電容單體的價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+離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。其原理圖如圖2所示。
超級電容和鋰離子電池在船舶中的應用研究
2.2鋰離子電池的優(yōu)缺點分析
鋰離子電池的優(yōu)點：
1)高能量密度。其體積能量密度和質(zhì)量能密度分別可達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，循環(huán)性能優(yōu)越。
4)輸出功率大。
5)工作溫度范圍寬?？稍?20℃～60℃之間正常工作。
鋰離子電池的缺點：
1)成本高。重要是正極材料LiCoO2的價格高。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)必須有特殊的保護電路，以防止過充或過放。
3)與普通電池的相容性差，因為一般要用3節(jié)普通電池(3.6V)的情況下才能用鋰離子電池進行替代。
3儲能系統(tǒng)的典型應用
關(guān)于船舶電力推進系統(tǒng)而言，如何減少燃油消耗、系統(tǒng)維護成本、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。這當中Corvus公司技術(shù)領先其他公司，并開發(fā)出了廣泛應用的AT6500儲能系統(tǒng)。圖3給出了該儲能系統(tǒng)應用于近海支援船的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中儲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。整個儲能系統(tǒng)由多個AT6500模塊組成即鋰離子電池組，能夠持續(xù)供應大功率輸出，為船舶系統(tǒng)集成和設計供應一個更好的選擇從而降低了系統(tǒng)的復雜性，減少不必要的開支。
