电化学超级电容器简称超级电容器,其能量密度高于传统电容器,功率密度远大于燃料电池和蓄电池,辅以高充放电效率、宽工作温度范围、长循环寿命等突出优点,非常适合高频次、大电流快速充放电。因此,超级电容器在城市轨道交通车辆制动能量回收与利用、智能电网多能源接入瞬时能量存储与电压补偿、新能源汽车动力平台与启停系统等场合有先天优势和广阔的应用前景。据BBC Research 调查,2009—2014 年间超级电容器的市场会持续增长,全世界范围内将在2010 年的4.7 亿美元基础上以20.6%的年均增长率持续增长至2015 年。2015 年后因电动汽车在美国等国家大规模批量生产,超级电容器的产量和需求将逐年成倍增长。
随着系统运行安全问题日益受到重视,可靠性成为储能器件在上述大规模储能领域应用的先决条件与最关注的问题。蓄电池失效特征与健康状态已在中国、美国、欧洲、日本等地得到广泛研究,蓄电池管理系统也逐渐加入单体状态预估功能,但超级电容器相关方面的研究却略显匮乏。究其原因,一是因为超级电容器属新兴器件,老化与可靠性试验数据稀缺,难以准确预测其寿命状态;二是厂商声称超级电容器单体寿命可达50 万次,远大于蓄电池数千次的循环寿命,使用中无需维护。
然而,大规模储能应用中超级电容器需要大量串并联组合工作,其老化受温度、偏置电压、单体参数不一致等诸多因素影响,往往经数月使用,性能就已经下降,与厂商手册数据差别较大;
此外,随着其工作环境日益恶劣,而超级电容器一般又在所规定限值的边界、甚至超出额定区间运行,使其实际工作寿命远小于单体标称值。因此,结合高可靠性与高频次的使用需求,预测超级电容器老化寿命,确保储能系统的安全性能是未来研究的重点。
首先分析超级电容器耗尽失效的老化特征,并根据电极劣化等现象阐释了外部应力、自加速作用及厂商生产因素这三者将影响到超级电容器的寿命衰减。其次,比较超级电容器日历寿命测试与循环寿命测试的特点与适用范围,并在搭建的试验平台上通过试验验证工作温度因素对超级电容器特征参数的作用。试验结果表明,工作温度同样改变特征参数,且该差异普遍大于短期测试中由自身老化所造成的参数区别,说明了超级电容器寿命判断的复杂性。然后,基于超级电容器现有老化寿命研究的不足进一步探究原因。最后,通过分析老化特征与寿命测试的研究现状,展望超级电容器寿命老化研究未来的研究方向。