諾貝爾化學獎鋰電池和電容的區別

2019-10-12 14:50 易庫易

今年的諾貝爾化學獎得主是下圖的三位,以獎勵他們在鋰電池方面的卓越貢獻,除過近期各大媒體熱談的高深鋰電池知識,還有網友熱烈討論的900萬瑞典克朗的獎金在中國能買什么?



(圖片來源:nobelprize.org)

另外一個讓大家有意思的話題就是:好名字的重要性傳聞約翰?B?古迪納夫(JohnB. Goodenough),上臺領獎時候說的第一句話就是……I’m goodenough……

充分顯示了一個good enough足夠好名字的重要性




做為儲能元器件領域的2位扛把子,電池和電容名字相似,一個作為電的“池”子,另一個作為電的“容”器,都與能量存儲轉移有關,但卻有點類似同名不同命,前者為大眾消費品市場所熟知,后者更多時候在幕后默默做貢獻。

是什么造就了兩者之間的區別,今天小編帶領大家“一起來找茬”


 電容和電池 

電容和電池這兩者都是電器原件,而且都是儲能元器件。

電容儲存的是電能。電池儲存的是由電能轉化后的化學能。

前者是物理變化,后者是化學變化。


電容和電池有什么區別?




1,外觀和材料的差別

常見的電容是兩個金屬電極用絕緣材料隔開再加上保護外殼的結構,一般電容用作耦合、濾波退偶等,都是作為瞬間供電使用,所以提供的能量不是很多,要求電容存儲的電能也不多。

電池也是兩個電極,但通常都有大量的電化學材料,充電時把電能轉化成化學能存儲起來,放電時再轉化成電能。

電池和電容兩者特性相接近,兩者區別在于,電池存儲的電能比較多,電容存儲的很少。



2,放電速度和次數不一樣

電容一般情況下充電只需數秒或數分鐘,而電池通常需要數小時。電容充放電次數至少要數萬至數億次,電池一般只有幾百上千次。

電池充電緩慢,電容充電非常快,大部分電容可以大電流充電,但是電池大電流充電比較不常見到。因為,電容的充放電時間取決于RC時間常數,通常可以快速的充放電。而電池是是將電能轉為化學能存儲起來,使用的時候再將化學能轉為電能來使用,充放電時間都比較緩慢。



3,用途不一樣

電容在電路中是有濾波,耦合等功能,常常工作在交流電路中,是通過對電荷的存儲和釋放來工作的,這一點和電池很像

但電容可用于偶合、隔直、濾波、移相、RC,LC諧振和用做瞬間大電流放電的儲能元件等,充放電快速。而電池的作用則僅僅是用來充當電源(電能轉為化學能,當使用的時將化學能再轉為電能)



4,單位和工作環境不同

電容的單位是法拉,符號是C。電池的單位是安時,表示電流和時間的乘積,比如20AH,是放電電流為1A,可以連續放電20小時。電容可以工作在交流電路中,電池充放電只能用直流電。



5,電壓特性不一樣

 凡是電池都有標稱電壓。因電極選材不同而決定了不同的電池電壓。如鉛酸電池2V、鎳氫1.2V、鋰電3.7V等。電池在這一電壓附近持續充放電的時間最長。而電容對電壓是沒有要求的,從0~任意電壓均可(電容上標的耐壓是保證電容安全使用的參數,與電容特性無關)。在放電過程中,電池會帶著負載頑強的堅持在標稱電壓附近,直到最后實在堅持不住才開始下跌。而電容則沒有這個“堅持”的義務,電壓從開始放電就隨波逐流不停的下降,以致于在電量很富足的時侯,電壓已跌到“慘不忍睹”的地步了。既然電容和電池都可以充放電,為什么不把電容當電池用呢?下面的第6點就是原因所在。



6,充放電曲線不一樣

首先看一下曲線圖:




從以上曲線圖可以看出,電容的充放電曲線很陡,瞬間就能完成充放電過程的主要部分,因此適合大電流高功率快充快放。這種陡峭曲線對于充電過程是有益的,可快速完成充電過程。但在放電時就成了缺點,電壓的快速下降,就使得電容難以直接替代電池進入電源領域。如果要進入電源領域,可通過兩個途徑來解決,一是和電池并連使用,互相取長補短。這不僅能大幅提高電池組瞬間大電流放電的能力,還能很好的延長電池組的使用壽命,同時也提高了電池的帶載能力。另一個就是配合DC一DC模塊來彌補電容放電曲線的先天不足,讓電容能有一個盡可能穩定的電壓輸出。


還有一個問題就是目前電容的能量密度太低體積過大。有人可能會問,多少F的電容能相當于1個2Ah的18650鋰電池呢?要回答這個問題首先要搞清電容量是個什么東西。為便于理解,我們不妨用水桶來作一比喻。電容量就好比是水桶的直徑,當然直徑越大盛水越多。但究竟能盛多少呢?還要看水桶的高度,這個高度就是加在電容上的電壓。因此也可以說如果不設電壓上限,一個法拉的電容可以存儲全世界的電能!當然這只是一個夸張的假設。下面讓我們來簡單計算一下吧。為便于對比先將容量換萛成焦耳。


鋰電池2Ah?3.7V=7.2Wh


7.2Wh?3600秒=25920焦耳


電容我們試選5.5V6000F的,放電終止電壓參照鋰電定為2.5V。5.5-2.5=3V。


6000F?3V?3V/2=27000焦耳


27000焦耳/3600秒=7.5Wh


7.5Wh/3.7V=2.03Ah


從以上計算結果可以看出,6000F 5.5V的電容可以替代一節鋰電,但是碩大的體積是沒有辦法和一節18650電池相比的。還有一點就是2.5V以下的電能沒有得到利用。


隨著科技電子技術的不斷發展,電容的容量也越做越大,在很多地方都逐漸代替了電池,比如說,自動沖水的水龍頭有很多都用到了超級電容,容量非常大,來代替電池,中國也研制了用于汽車供電的超級電容,來代替電池給汽車發動機供電。

值得一提的是超級電容,超級電容是一種新型的儲能裝置,它是一種介于普通電容和電池之間的電源,具有充電時間短,循環使用壽命長等優點,被應用于很多領域,比如汽車的啟停系統中就能看到超級電容的身影。

資料來源于:

諾貝爾官網nobelprize.org

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