南都蓄电池与超级电容性能和应用分析

目前，主要的储能装置有两大类，蓄电池和超级电容；  
一、概述 
南都蓄电池是较为传统的储能电池，按正极材料可分以下几类：铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、镍锌电池、锂电池。技术发展到今天，以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池代表了当前最先进、能够大功率应用的动力蓄电池。在汽车、轨道车辆等方面应用较为广泛。 
超级电容又叫双电层电容器，是20世纪七八十年代发展起来的一种新型储能装置，结构上同普通电解电容非常相似，属于双电层电容器。但由于采用活性炭多孔电极和电解质组成了双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得超大的容量，可达80000F。目前正处于快速成长期。它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。 
表1：蓄电池和超级电容的特性对比 特性对比 蓄电池（锂电池） 超级电容 能量转换 化学能电能 电能 
内部反应 氧化还原化学反应 极化电解质的物理反应 过程可逆性 充放电过程可逆， 能量转换有损耗 
充放电过程可逆 使用损耗 
化学介质活性的降低 
负极材料钝化使得容量衰减 充放电能量转换损耗正极材料 使用不当造成电解液泄漏  
内部阻抗 充电时内阻下降，放电时内阻上升 
低阻抗，根据耐压要求可调 单体标称电压 锂电池3.0-3.7V 
1.2~1.5V左右 
受温度影响 较大，明显的活性极化温度关系 工作范围：-25℃~+45℃ 不大，很小的活性极化 工作范围：-40℃-+70℃ 
充放电速度 一般充放电为1~5倍率， 最大放电可达10倍率。 充电电流越大速度越快， 
10秒内即能达到额定容量的95%。 充放电时间 一次充满电5-6小时 单体数秒 
功率密度 （W） 低 
50-200 W 高，南都蓄电池 低阻抗带来高的功率输出 1000-2000W 能量密度 （Wh） 高 
20~100 Wh 低，为蓄电池的1/10， 3-15 Wh 充放电效率 % 
＞95% 
＞95% 循环寿命，次 平均约为5000~10000次 
大倍率充放电对寿命影响较大 ＞10万次  
荷电保持能力 存在低自放电 
几乎不存在自放电 环保 即使采用无害化学材料，仍然具有潜在污染 几乎不存在化学污染 
工程使用 单体的大规模串并联 单体的大规模并联，采用均压措施后可以串联使用 使用维护 
电池密封免维护 
彻底免维护

 二、工程应用的主要考量指标 

1、能量密度：单位重量所储存的总能量多少，与材料有关。综合重量和能量密度，就可以判断其是否可以作为纯动力源。 
2、功率密度：单位重量在放电时可以以何种速率进行能量输出，表征其放电输出特性。功率密度高，瞬态释放能量高，在高功率输出的时候特别有用。 
3、循环次数：充放电次数，决定了使用寿命和维护成本。

 4、重量体积：决定了其安装和移动性。 
超级电容的能量密度低，可以进行短时短线供能，若通过多个超级电容串并联，可以提高总能量，但会同时带来重量、体积的增加。 
超级电容功率密度很高，可以提供瞬时高峰能量吸收和输出，特别适合车辆的起动和制动。 
蓄电池循环寿命比超级电容低很多，但是在能量密度上具有非常好的优势，特别适用于有限空间的应用，如轨道车辆。 
表2 关键工程指标对比 
 磷酸铁锂锂离子电池 双层结构的超级电容 
能量密度 高 低 功率密度 适中 高 循环次数 适中 高 重量体积 
适中 
大 
  
三、工程应用的优缺分析

 1、南都蓄电池 
优点在于： 
1）单体电压高、能量密度高，适当的重量和体积能带来较大的能量输出。

 2）在额定充放电倍率，使用次数和循环寿命较长。 3）采用了无害和环保材料，环境公害很低。

 缺点在于：

1）大电流充放电特性不理想。 
2）对过充过放耐受性差，需要精细的管理保护系统。 
3）受温度影响大，高温下性能恶化并直接影响锂电池的容量。 
4）具有存在爆炸的风险，如是高温、大电流等。需要多重保护机制。

 5）目前价格较高  目前，蓄电池在轨道交通上，主要作为后备和紧急电源使用，作为主要供能装置用于短距离的公交、有轨电车运输也是其新的应用领域。   
2、超级电容 其优点在于： 
1）储存电容量大。 
2）功率密度大，短时大功率充放电能力强。

 3）物理能量转换，充放电时间短，效率高。 
4）充放电循环次数可达50万次，长使用寿命，除非电流集电极被腐蚀。

 5）具有很宽的工作温度范围。 
6）理论上较为安全，电容器的高温会导致电路断路，而不是爆炸。 其缺点在于： 
1）单体电压低，能量密度低。相比蓄电池，在同样容量输出下，需要大量并串联，必然带来体积和重量的急剧增加。 
2）串联使用需要采取必要的均压控制电路，均压控制电路的设计直接影响中后期超级电容的影响寿命。  目前，超级电容典型的应用为两种，其一是作为能量储存装置，在车辆制动过程中吸收能量，在车辆处于加速牵引过程中释放能量，其效率和可靠性都比传统的蓄电池高。南都蓄电池 其二作为稳压平衡电源，保持在高容量的状态，当供电系统的电压低于规定值时才开始放电。亦可以和蓄电池进行组合并联使用作为启动电源，启动加速时，若蓄电池限定电流不够，则由超 级电容弥补差额电流，提高总输出功率；制动时，发电电流超过蓄电池限定电流，则由超级 电容吸收，达到节能的目的。此外，在军事上，作为脉冲能量。  
四、未来技术发展的方向  电池和超级电容各有优缺点，应用中各有利弊。 
目前，大功率动力电池上，锂电池较受业内欢迎，也是目前锂电池研发的热点，并在公交车、有轨电车等低功率需求领域进入应用阶段，未来锂电池将主要从正负极材料、电解液、隔膜、内部结构上进行改进，增强其大功率应用和安全性。  超级电容的低能量密度限制了其在车辆上的应用，未来将朝着高能量密度进行改进，主要是从材料入手，提高隔膜的制造水平和电极表面积，使得能够达到铅酸蓄电池的能量。  从技术发展上看，超级电容和电池的结合体能够集两者的优点于一身，将是新技术发展的方向。该结合体从内部结构上将超级电容和蓄电池2种不同的电极组成杂化超级电容器，亦称为超级电池。 
超级电池实现了两种储能方式的性能互补，具有低成本、高能量密度、高能量存储、循环使用寿命长、环境适应能力强。超级电池的开发应用成功将会带来革命性的突破。