超級(jí)電容器，也稱為超級(jí)電容器，是一種特殊類型的電容器，單位體積的電容量極高，比傳統(tǒng)電容器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。超級(jí)電容器位于傳統(tǒng)電容器和鉛酸電池之間，無(wú)論是在比能量（每單位質(zhì)量存儲(chǔ)的能量）還是比功率（每單位質(zhì)量功率）方面。鉛酸電池的比功率非常低（通常小于 100 W/kg），而超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)了更高的比功率（~1,000 W/kg），但與低能量密度形成鮮明對(duì)比。

超級(jí)電容器每單位體積或質(zhì)量可以存儲(chǔ)比電解電容器多數(shù)十或數(shù)百倍的能量，并且能量存儲(chǔ)在電場(chǎng)中而不是化學(xué)反應(yīng)中。它們的充電和放電速度比電池快，并且比電池承受的充電和放電循環(huán)次數(shù)要多得多。由于它們可以快速捕獲和釋放能量，超級(jí)電容器是提供快速功率激增的卓越設(shè)備。

Ultracaps 是一項(xiàng)出色的技術(shù)，因?yàn)闆]有熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，并且不含鉛、鋰或鈷等典型的電池危險(xiǎn)材料。唯一的缺點(diǎn)，如果有的話，就是它們目前不能長(zhǎng)時(shí)間供電（能量密度在一分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)仍然可用）。

權(quán)力革命

在率先推出超級(jí)電容器和其他創(chuàng)新且具有成本效益的儲(chǔ)能解決方案的領(lǐng)先公司中，Maxwell Technologies 成立于 1965 年，總部位于加利福尼亞州圣地亞哥。Maxwell 于 1995 年推出了第一款超級(jí)電容器，并于 2004 年開發(fā)了專有干電極工藝并獲得了專利，與通用汽車和 PSA 等主要汽車公司建立了合作伙伴關(guān)系。特斯拉對(duì)將干電池電極工藝應(yīng)用于電動(dòng)汽車感興趣，收購(gòu)了 Maxwell Technologies。2019 年 7 月，即收購(gòu)后僅兩個(gè)月，一些前 Maxwell 高管和產(chǎn)品經(jīng)理決定成立 UCAP Power，其明確意圖是繼續(xù)與超級(jí)電容器合作。

UCAP Power 主要專注于使用鉛酸電池的應(yīng)用：風(fēng)力渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、微電網(wǎng)、汽車和運(yùn)輸。

“我們最近與圣地亞哥灣區(qū)空氣質(zhì)量管理局進(jìn)行了一項(xiàng)研究：結(jié)果表明，將超級(jí)電容器放入風(fēng)力渦輪機(jī)并減少風(fēng)力渦輪機(jī)本身的停機(jī)時(shí)間 [由于電池沒有耗盡，它可以旋轉(zhuǎn)更長(zhǎng)時(shí)間]，導(dǎo)致在這種情況下UCAP Power, Inc. 首席執(zhí)行官兼總裁 Gordon Schenk 說(shuō)：“節(jié)省了約 363,000 公噸 CO 2。

超級(jí)電容器為大多數(shù)需要短時(shí)間爆發(fā)式能量和功率的應(yīng)用提供可靠且經(jīng)濟(jì)高效的電源解決方案。該技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)提供高功率，因此非常適合與啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)彎、啟動(dòng)等相關(guān)的任何操作。2020 年 12 月，UCAP Power 向客戶發(fā)貨了其第一款產(chǎn)品 POWERBLoK（如圖 1 所示），這是一種基于超級(jí)電容器的電池更換解決方案。2021 年 5 月，UCAP Power 與 Tesla Motors 談判重新收購(gòu) Maxwell Technology 的某些資產(chǎn)，包括 Maxwell Technologies 韓國(guó)工廠，以及整個(gè) Maxwell 產(chǎn)品和知識(shí)產(chǎn)權(quán)組合（干電池工藝除外，特斯拉保留自用） ) 包括在收購(gòu)中。

圖 1：UCAP 電源 POWERBLoK

“隨著 Maxwell 技術(shù)現(xiàn)在在我們的控制之下，并且通過我們自己的產(chǎn)品運(yùn)輸，我們?cè)谌驌碛谐^ 85,000 臺(tái)使用超級(jí)電容器的風(fēng)力渦輪機(jī)，成為市場(chǎng)領(lǐng)域的主導(dǎo)者，”申克說(shuō)?！鞍惭b UCAP 設(shè)備的其他相關(guān)市場(chǎng)包括混合動(dòng)力公交車、超過 700 萬(wàn)輛汽車和超過 1200 萬(wàn)個(gè)電池交付給電網(wǎng)客戶?！?/p>

目前，該公司的主要應(yīng)用是位于“上塔”的風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)急變槳控制系統(tǒng)。有兩種變槳控制系統(tǒng)：電動(dòng)和液壓。在電動(dòng)變槳系統(tǒng)中，變槳箱內(nèi)裝有電池。那些電池很快就死了。通常，它們的生命周期最長(zhǎng)約為三年?？蛻粝Ｍ_保該系統(tǒng)可靠，因此，他們正在更換和改裝超級(jí)電容電池，或立即將其安裝為 OEM 產(chǎn)品。

另一個(gè)相關(guān)市場(chǎng)是混合動(dòng)力公交車，需要大型電池組。由于這些電池的使用壽命非常短，其中一部分已被 UCAP 解決方案取代，其中超級(jí)電容有助于在啟動(dòng)和停止以及需要重載（例如爬山）時(shí)維持電動(dòng)機(jī)。

“最初的 Maxwell 與我們公司之間的最大區(qū)別在于，我們不僅關(guān)注超級(jí)電容器本身，還關(guān)注旨在為客戶提供最佳擁有成本的整個(gè)系統(tǒng)級(jí)別，”申克說(shuō)。“因此，我們傾向于向他們出售系統(tǒng)解決方案，而不是單獨(dú)的超級(jí)電容器，因?yàn)樗粌H可以解決一個(gè)問題?！?/p>

UCAP Power 開發(fā)的另一個(gè)解決方案是智能集成充電。由于超級(jí)電容從零電壓充電并且具有不同類型的電壓方案，因此充分了解如何為這些設(shè)備充電非常重要。由此產(chǎn)生了集成充電（交流或直流供電）的想法，它允許監(jiān)控設(shè)備健康狀態(tài)，降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。韓國(guó)的晶圓廠讓 UCAP Power 擁有自己的先進(jìn)化學(xué)并進(jìn)一步發(fā)展，這是一個(gè)帶來(lái)好處的關(guān)鍵因素，例如減輕重量以增加比能量 (Wh/kg)、通過專有制造工藝增加功率以及增加電壓而不犧牲壽命。

“與其他公司所做的不同，我們真正專注于擴(kuò)展電壓范圍以使用化學(xué)方法獲得更好的能量密度，而不是嘗試采用較低電壓的設(shè)備并嘗試以更高的電壓運(yùn)行，”申克說(shuō)。

圖 2 顯示了用于超級(jí)電容器制造的 UCAP 專有工藝。活性炭來(lái)自椰子殼，與粘合劑混合，然后涂在箔上以形成電極。兩個(gè)電極之間有一個(gè)隔板，它們被螺旋纏繞成一個(gè)圓柱體，然后插入一個(gè)罐子里。

超級(jí)電容器具有出色的功率密度、極長(zhǎng)的壽命、溫度穩(wěn)定性和椰子碳的使用，使其成為許多應(yīng)用的首選。

圖 2：UCAP+Maxwell 專有制造工藝

審核編輯 黃昊宇