當(dāng)前缺少對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中碳基電化學(xué)雙層電容器的基本原理和應(yīng)用的系統(tǒng)介紹, 本書(shū)以填補(bǔ)此空白為出版目的。
這種被稱為超級(jí)電容器的雙層裝置能夠在一個(gè)單體中聚集上千法的電容量, 具有與電池相媲美的能量。本書(shū)不僅僅介紹超級(jí)電容器的電化學(xué)性能, 更主要的是面向應(yīng)用工程師, 尤其是負(fù)責(zé)儲(chǔ)能設(shè)備設(shè)計(jì)、容量配置的工程師, 以及后續(xù)使用的客戶。一個(gè)世紀(jì)前就得到可以將電能存儲(chǔ)在一個(gè)雙層電容器中( 即一個(gè)導(dǎo)電固體和電解質(zhì)的界面) 的結(jié)論, 但是直到1957 年通用公司的H. I. Becker 才基于這個(gè)現(xiàn)象申請(qǐng)了一個(gè)基本的碳裝置的專利。我們現(xiàn)在所知的超級(jí)電容器歸功于俄亥俄州標(biāo)準(zhǔn)石油公司的化學(xué)家RobertA. Rightmire 在1962 年設(shè)計(jì)的碳-碳電化學(xué)電容器。其余的, 正如他們所說(shuō), 就是過(guò)時(shí)的了。
超級(jí)電容器應(yīng)用廣泛。小的單體只有拇指蓋大小, 電容量為5 ~10F, 可為固態(tài)硬盤存儲(chǔ)信息提供電力支撐; 小型20 ~150F 電解電容器組可以用于各種電子設(shè)備。大容量單體, 例如D 型超級(jí)電容器單體的電容量超過(guò)300F, 可以用于工業(yè)領(lǐng)域, 包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距調(diào)節(jié)器的備用電源模塊以及一些動(dòng)力應(yīng)用中, 例如電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車的動(dòng)力電源。更加大型的單體, 例如現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)60mm 直徑的圓柱單體的電容量范圍是650 ~3000F, 可以應(yīng)用于不間斷電源、橋式功率、汽車電網(wǎng)的穩(wěn)定以及在怠速停止系統(tǒng)中促進(jìn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)。大容量單體構(gòu)成的模塊組應(yīng)用于重型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)輔助, 廂式車、自卸車、擺渡車及公交車的混合組件, 以及軌道交通的能量換熱器。超級(jí)電容器在軌道交通上的應(yīng)用也擴(kuò)展到車載能量換熱器和軌道側(cè)第三軌或懸鏈線的穩(wěn)定器。新的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)在一些前景廣闊的領(lǐng)域。在智能電網(wǎng)和鐵路領(lǐng)域的實(shí)施, 可以提供更強(qiáng)有力的公用設(shè)施和配套服務(wù), 可以在地鐵和輕軌系統(tǒng)中減少需額外增設(shè)的變電站數(shù)量。
例如, 在智能電網(wǎng)中, 超級(jí)電容器可以滿足高倍率充放電來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的需求。其高效率快充快放的特性意味著它們也可以被用來(lái)支持電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)。這兩個(gè)應(yīng)用需要大量兆瓦級(jí)有功功率來(lái)進(jìn)行頻率支撐, 甚至更高的無(wú)功功率作為電壓調(diào)節(jié)。超級(jí)電容器作為公用事業(yè)儲(chǔ)能應(yīng)用可以提供10s ~1min 的持續(xù)輸出, 而將超級(jí)電容器和電池相結(jié)合可以提供長(zhǎng)達(dá)8h 的持續(xù)輸出。這些內(nèi)容, 以及與其相似的應(yīng)用, 例如應(yīng)用于汽車的大功率緩存, 在本書(shū)中都有詳細(xì)介紹。
本書(shū)的大綱是從我2007 年至2010 年在Maxwell 技術(shù)公司講授的課程中提出。因此, 我感謝Maxwell 技術(shù)公司的CEO———David Schramm 先生, 是他聘請(qǐng)我擔(dān)任Maxwell 大學(xué)的院長(zhǎng)。早期課程中的講座和實(shí)例具有課堂風(fēng)格。然而, 由于像Maxwell 技術(shù)公司全球分布廣泛, 到各地授課和向?qū)W員展示材料是不現(xiàn)實(shí)的, 因此我們啟動(dòng)了Maxwell 大學(xué)第2 版。這一次, 作者修訂了相關(guān)材料, 并提供了音頻格式的CD。本書(shū)的許多章節(jié)都有提到這些資料,同時(shí)作為實(shí)例展示給讀者。
如果沒(méi)有更多人的鼓勵(lì)和幫助, 本書(shū)不可能成形。我要特別感謝Maxwell 技術(shù)公司的資深科學(xué)家Porter Mitchell博士幫我審閱了以電化學(xué)為主題的第1 ~ 6 章, 同時(shí)感謝Mitchell 博士對(duì)剩余章節(jié)的評(píng)議。我也要感謝Maxwell 技術(shù)公司的技術(shù)應(yīng)用工程總監(jiān)David Wright 先生對(duì)本書(shū)后半部分實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容的審查和評(píng)議。我還要特別感謝我的妻子JoAnn, 在周末和節(jié)假日, 我們可以放松或者做一些例如旅游等與工作無(wú)關(guān)的活動(dòng)。
我要感謝英國(guó)工程技術(shù)學(xué)會(huì)( IET) 里參與本書(shū)出版的所有人, 尤其是感謝英國(guó)工程技術(shù)學(xué)會(huì)( IET) 的策劃編輯Lisa Reading, 以及感謝生產(chǎn)人員。
John M. MillerⅥ