超级电容与电池的比较

超级电容与电池的比较

超级电容器与铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池相比，具有节能、超长寿命、安全环保、温度范围广、充电速度快、无需人工维护等优势。本文介绍了超级电容器与其他储能产品的性能对比，如与各类电池的比较以及替代的可能性。

图1：各种储能产品

之所以叫超级电容，是因为超级电容的电容量是法拉级的，而且可以提供快速的充放电，这是传统电容或者电池无法做到的。下面介绍一下各个产品不同的应用范围，横轴是能流密度，纵轴是能量密度，从中我们可以看出哪些领域是电池的应用范围，哪些领域是传统电容的应用范围，哪些领域是超级电容的应用范围。

图2.超级电容器与其他储能技术的比较

我们知道电池充放电大概需要1小时到10小时，而传统电容滤波、充电、放电的时间是0.03秒，而超级电容则是1秒左右，基本上从0.1秒到10秒，这正是汽车刹车、启动时所需要的时间。当然，任何设备比如风电变桨系统，在变桨时都需要提供能量。超级电容的能流密度、能量密度都是非常高的，超级电容是采用物理方法储存能量，电池是采用化学反应储存能量，所以电池的反应时间会很长。超级电容可以快速充放电，这是它的根本原因，也是超级电容的性能优势。

传统储能系统采用铅酸电池。以风力发电为例，有风时风力发电机发电，无风时储能系统供电。当断电切换时，铅酸电池需要十几秒才能反应，此时可以采用超级电容来辅助。由于超级电容储存电荷，可以快速补充和释放，而电池需要通过化学反应进行充放电。在这十几秒内，超级电容可以提供短时间的能量，保证电力稳定供应。超级电容可在-40℃~65℃之间工作，可以覆盖PC-20℃~60℃的工作温度范围和电池0℃~50℃的工作温度。超级电容是功率密集型元件，但放电时间短，电池是能量密集型元件，放电时间长。

图3.超级电容器与电池的充放电时间比较

超级电容器的应用主要是作为备用电源和提供峰值功率。超级电容器作为备用电源时，具有可靠性高、免维护、寿命长、工作温度范围宽等特点。由于超级电容器可以大功率充放电，可以储存列车、城市轻轨的制动能量，在加速时提供峰值功率，或者在起重机吊装或电机启动时提供峰值功率。

图4 超级电容器与电池储能原理对比

如上图4所示，超级电容器与电池在储能原理上最大的区别在于超级电容器采用的是物理储能方式，而电池采用的是化学储能方式。同时，超级电容器与电池储能的决定因素也不同。

图5.超级电容器与锂离子电池的比较

超级电容器是功率密集型组件（>10kW/L），而锂离子电池是能量密集型组件（~200 Wh/L）。

图 6. 电池电压与电池能量

图7 超级电容器的放电特性

与电池相比，超级电容器具有以下特点：

a.超低等效串联电阻（LOW ESR），功率密度（Power）是锂离子电池的几十倍，适合大电流放电（4.7F电容可释放18A以上的瞬间电流）。

b.超长寿命：充放电次数超过50万次，是锂离子电池的500倍，镍氢、镍镉电池的1000倍。如果超级电容器每天充放电20次，可连续使用长达68年。

c.可大电流充电，充放电时间短，充电电路要求简单，无记忆效应。

d.免维护、可密封。

e.温度范围宽-40℃～+70℃，而普通电池温度范围为-20℃～60℃。