超級電容器到底是個啥?

2022年06月28日22:32:02 科學 1360

網上有消息稱我國第一艘國產航母福建艦採用電磁彈射起飛,並且我國電磁彈射採用的供電方式為超級電容器供電。電磁彈射是什麼原理我在之前的文章中有簡要說明,那超級電容器又是個啥?電容給彈射器供電到底靠不靠譜呢?一起來了解一下吧。

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超級電容器是一種介於傳統電容器和可充電電池之間的一種新型熱門儲能裝置(下表展示了超級電容器與電容器、電池之間的性能對比),以滿足二十一世紀能量存儲系統不斷增長的需求。目前,超級電容器廣泛用於電子產品、存儲器備份系統、工業電源以及能源管理等方面。

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超級電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件。當電極與電解液接觸時,由於庫侖力、分子間力及原子間力的作用,使固液界面出現穩定和符號相反的雙層電荷,稱其為界面雙層。簡單來說就是把雙電層超級電容看成是懸在電解質中的2個非活性多孔板,電壓載入到2個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質中的負離子,負極板吸引正離子,從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器

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超級電容器放電過程就是在電容器正負極短路或添加負載,使得吸附在電極表面的離子脫離電極的過程,在此過程中離子脫附的速度就決定了電容器的放電速率,因此理論上電極板足夠大、電解液電導率足夠高,那麼在放電時的電流就可以足夠大。根據原理我們可以知道,超級電容器有著超大容量可快速充放電的特性,不過在實際使用中還需要考慮兩電極板之間的電壓是否能發到負載電流的使用電壓,而電容器兩端能施加的最大電壓又與超級電容器電解液有著極大的關係。

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超級電容器按照電解液不同可以分為兩大類:有機系、水系兩大類。目前,有機電解液電容器已經實現商業化。相對水系電解液,有機電解液具備較寬的電位窗口大約為2~4V,因而,電容器的操作電壓與能量密度可以提高。但是,有機電解液的電化學導電率比較低對環境會造成一定的污染,容易揮發,並且在製備電容器的過程中,要求周圍工作環境無氧無水。

水的分解電壓只有約 1.23 V使得水系超級電容器的電勢窗口比較低。水電解電壓為1.23V,實際情況中考慮兩電極極化電壓及電解液、電線迴路壓降,水電解實際施加電壓可能超過1.23V。目前也有研究表示通過在水系電解液中添加一些抑制水電解的添加劑可以使其耐壓提升至2V以上。

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但是不論是有機系超級電容器亦或是水系超級電容器單體電壓均比較小,因此在實際使用中需要對其進行一定的串並聯連接,組成較大的超級電容器模組,比如國外某廠家採用6層水系超級電容器串聯,推出5.5V系列超級電容器產品,而Maxwell廠家甚至推出的可用於電動車使用的160V單體超級電容器模塊。

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與利用化學反應的蓄電池不同,超級電容器的充放電過程始終是物理過程,性能十分穩定。它具有功率密度大、重量輕、體積小、充電時間短、安全係數高、使用壽命長、低溫性能卓越、免維護、節約能源和綠色環保等諸多優點。因而其用途及其廣泛,發展前景非常好,世界各國在此方面的重視程度和研發投入正在快速提高。

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航母上使用超級電容器作為電磁彈射的電源正是利用超級電容器可快速充放電、大容量、安全係數高、環境適應性高等優異特性,讓其在極短時間釋放極大電流,從而推動近30噸的戰機在航母上一躍而起,同時配合馬偉明院士推出的艦船綜合電力技術使我國第三艘航母成功躋身於世界航母第一梯隊。

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