超级电容器到底是个啥?

网上有消息称我国第一艘国产航母福建舰采用电磁弹射起飞,并且我国电磁弹射采用的供电方式为超级电容器供电。电磁弹射是什么原理我在之前的文章中有简要说明,那超级电容器又是个啥?电容给弹射器供电到底靠不靠谱呢?一起来了解一下吧。

超级电容器是一种介于传统电容器和可充电电池之间的一种新型热门储能装置(下表展示了超级电容器与电容器、电池之间的性能对比),以满足二十一世纪能量存储系统不断增长的需求。目前,超级电容器广泛用于电子产品、存储器备份系统、工业电源以及能源管理等方面。

超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时,由于库仑力、分子间力及原子间力的作用,使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷,称其为界面双层。简单来说就是把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板,电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器

超级电容器放电过程就是在电容器正负极短路或添加负载,使得吸附在电极表面的离子脱离电极的过程,在此过程中离子脱附的速度就决定了电容器的放电速率,因此理论上电极板足够大、电解液电导率足够高,那么在放电时的电流就可以足够大。根据原理我们可以知道,超级电容器有着超大容量可快速充放电的特性,不过在实际使用中还需要考虑两电极板之间的电压是否能发到负载电流的使用电压,而电容器两端能施加的最大电压又与超级电容器电解液有着极大的关系。

超级电容器按照电解液不同可以分为两大类:有机系、水系两大类。目前,有机电解液电容器已经实现商业化。相对水系电解液,有机电解液具备较宽的电位窗口大约为2~4V,因而,电容器的操作电压与能量密度可以提高。但是,有机电解液的电化学导电率比较低对环境会造成一定的污染,容易挥发,并且在制备电容器的过程中,要求周围工作环境无氧无水。

水的分解电压只有约 1.23 V使得水系超级电容器的电势窗口比较低。水电解电压为1.23V,实际情况中考虑两电极极化电压及电解液、电线回路压降,水电解实际施加电压可能超过1.23V。目前也有研究表示通过在水系电解液中添加一些抑制水电解的添加剂可以使其耐压提升至2V以上。

但是不论是有机系超级电容器亦或是水系超级电容器单体电压均比较小,因此在实际使用中需要对其进行一定的串并联连接,组成较大的超级电容器模组,比如国外某厂家采用6层水系超级电容器串联,推出5.5V系列超级电容器产品,而Maxwell厂家甚至推出的可用于电动车使用的160V单体超级电容器模块。

与利用化学反应的蓄电池不同,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,性能十分稳定。它具有功率密度大、重量轻、体积小、充电时间短、安全系数高、使用寿命长、低温性能卓越、免维护、节约能源和绿色环保等诸多优点。因而其用途及其广泛,发展前景非常好,世界各国在此方面的重视程度和研发投入正在快速提高。

航母上使用超级电容器作为电磁弹射的电源正是利用超级电容器可快速充放电、大容量、安全系数高、环境适应性高等优异特性,让其在极短时间释放极大电流,从而推动近30吨的战机在航母上一跃而起,同时配合马伟明院士推出的舰船综合电力技术使我国第三艘航母成功跻身于世界航母第一梯队。