超級電容下一步挑戰:提高工作電壓
超級電容的應用版圖不斷地持續擴展,因為超級電容能提供比電池更高的瞬間功率。其重要的應用包括在手機上供給閃光燈所需的瞬間功率,並接受電池再充電,能延長通話時間與電池壽命,還能為工程師節省設備空間和成本。另外包括智慧電錶、太陽能燈具、玩具、LED顯示器、電動車、混合動力車、汽車音響、電動工具、風力發電、工業UPS、峰值功率補償等設備都可以使用超級電容。
《圖一 超級電容體積小,卻可大電流放電,放電電流可達1000C,使用壽命長與環保都是其優點。目前在許多電子產品上都可以看到其蹤影。》 |
超級電容器(supercapacitor),又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor),原理是透過極化電解質來儲存能量。它是一種電化學元件,但在其儲能的過程並不發生化學反應,這種儲能過程是可逆的,也正因為如此,超級電容可以反復充放電數十萬次。
與傳統的電池產品相比,超級電容能儲存的電量並不多。因此許多家用充電式(Plug-in)設備例如電動汽車,超級電容並不能作為供電設備,而是需要與燃料電池一起搭配使用。超級電容的優勢在於具備快速放電的能力。另外,由於充電時間短,只需要幾分鐘甚至幾秒便可以完成充電,而且多次充電後的性能也不會減低。
目前超級電容在消費性電子產品中,已經被應用於數位相機等產品中,例如閃光燈這種需要瞬間輸入大量能量的設備。專家表示,超級電容未來面臨的主要挑戰,包括如何提高工作電壓,使其可以在高電壓環境下運作。
專家說,超級電容是一種良好的環保能源,搭配電池、燃料電池、太陽能或風力發電等發電方式,將使供電更加完美。同時超級電容所使用的材料不僅相當環保,價格也容易令消費者接受。
《圖二 超級電容由於具備快速放電的能力,非常適合用於電動汽車的供電應用,當然目前尚得搭配鋰離子電池或燃料電池使用。圖為使用超級電容的電動車。》 |
超級電容儲能將達電池的25%
超級電容能滿足許多備援供電應用的需求,其需要的供電時間從數秒到數分鐘不等。超級電容提供更長的壽命、極少的維護需求、輕巧、環保的解決方案,這些都勝過電池的參數。
麻省理工學院的計算機電子工程師Joel Schindall表示,隨著技術的進展,未來幾年內,超級電容的能量儲存能力將大幅提升。目前超級電容的放電速度是傳統電池的10倍,但能量儲存能力在相同體積下,卻只有電池的5%。
Schindall表示,超級電容在某些經常進行充放電操作的場合用途非常大,例如在制動能回收式刹車系統中,這種電容就很好用。目前唯一的缺點是,超級電容還無法大規模取代電池。
到目前為止,業界仍一致認為鋰離子電池才是電動車的主要能源供應來源,不過現在已經有數家公司,開始考慮採用超級電容作為鋰離子電池的補充設備。南韓一家電子公司Neescap便計畫提高旗下交通、電力系統及消費性電子產品使用超級電容的產能。
超級電容可以儲存短暫供應的電力。其中一種應用,就是不間斷運轉的電路,當在一段短時間內主要電源中斷時,備援的電力來源可立即取而代之,讓系統繼續運作。以往這類應用大多採用電池作為電力來源,但超級電容正快速搶進市場,因為超級電容具有低廉的單位成本、以及尺寸等方面的優勢,而且其單位電容串聯電阻(ESR/C)也持續下滑當中。
在過去幾年,Schindall的研究小組持續研究如何將超級電容中的儲能元件,也就是多孔活性碳材料,替換為另一種奈米碳管材料加上導電基體的儲能元件。該研究小組甚至為此成立了FastCap公司,以便把相關的研究結果商用化。
Schindall說,超級電容產品的儲能能力,最終將達到電池的25%。目前麻省理工學院所研發的奈米材料,已可將儲能能力提高到活性碳材料的兩倍左右。預計未來不久,該研究團隊將進一步展示儲能能力達活性碳五倍的材料。