诺贝尔化学奖锂电池和电容的区别

2019-10-12 14:50 易库易

今年的诺贝尔化学奖得主是下图的三位,以奖励他们在锂电池方面的卓越贡献,除过近期各大媒体热谈的高深锂电池知识,还有网友热烈讨论的900万瑞典克朗的奖金在中国能买什么?



(图片来源:nobelprize.org)

另外一个让大家有意思的话题就是:好名字的重要性传闻约翰•B•古迪纳夫(JohnB. Goodenough),上台领奖时候说的第一句话就是……I’m goodenough……

充分显示了一个good enough足够好名字的重要性




做为储能元器件领域的2位扛把子,电池和电容名字相似,一个作为电的“池”子,另一个作为电的“容”器,都与能量存储转移有关,但却有点类似同名不同命,前者为大众消费品市场所熟知,后者更多时候在幕后默默做贡献。

是什么造就了两者之间的区别,今天小编带领大家“一起来找茬”


 电容和电池 

电容和电池这两者都是电器原件,而且都是储能元器件。

电容储存的是电能。电池储存的是由电能转化后的化学能。

前者是物理变化,后者是化学变化。


电容和电池有什么区别?




1,外观和材料的差别

常见的电容是两个金属电极用绝缘材料隔开再加上保护外壳的结构,一般电容用作耦合、滤波退偶等,都是作为瞬间供电使用,所以提供的能量不是很多,要求电容存储的电能也不多。

电池也是两个电极,但通常都有大量的电化学材料,充电时把电能转化成化学能存储起来,放电时再转化成电能。

电池和电容两者特性相接近,两者区别在于,电池存储的电能比较多,电容存储的很少。



2,放电速度和次数不一样

电容一般情况下充电只需数秒或数分钟,而电池通常需要数小时。电容充放电次数至少要数万至数亿次,电池一般只有几百上千次。

电池充电缓慢,电容充电非常快,大部分电容可以大电流充电,但是电池大电流充电比较不常见到。因为,电容的充放电时间取决于RC时间常数,通常可以快速的充放电。而电池是是将电能转为化学能存储起来,使用的时候再将化学能转为电能来使用,充放电时间都比较缓慢。



3,用途不一样

电容在电路中是有滤波,耦合等功能,常常工作在交流电路中,是通过对电荷的存储和释放来工作的,这一点和电池很像

但电容可用于偶合、隔直、滤波、移相、RC,LC谐振和用做瞬间大电流放电的储能元件等,充放电快速。而电池的作用则仅仅是用来充当电源(电能转为化学能,当使用的时将化学能再转为电能)



4,单位和工作环境不同

电容的单位是法拉,符号是C。电池的单位是安时,表示电流和时间的乘积,比如20AH,是放电电流为1A,可以连续放电20小时。电容可以工作在交流电路中,电池充放电只能用直流电。



5,电压特性不一样

 凡是电池都有标称电压。因电极选材不同而决定了不同的电池电压。如铅酸电池2V、镍氢1.2V、锂电3.7V等。电池在这一电压附近持续充放电的时间最长。而电容对电压是没有要求的,从0~任意电压均可(电容上标的耐压是保证电容安全使用的参数,与电容特性无关)。在放电过程中,电池会带着负载顽强的坚持在标称电压附近,直到最后实在坚持不住才开始下跌。而电容则没有这个“坚持”的义务,电压从开始放电就随波逐流不停的下降,以致于在电量很富足的时侯,电压已跌到“惨不忍睹”的地步了。既然电容和电池都可以充放电,为什么不把电容当电池用呢?下面的第6点就是原因所在。



6,充放电曲线不一样

首先看一下曲线图:




从以上曲线图可以看出,电容的充放电曲线很陡,瞬间就能完成充放电过程的主要部分,因此适合大电流高功率快充快放。这种陡峭曲线对于充电过程是有益的,可快速完成充电过程。但在放电时就成了缺点,电压的快速下降,就使得电容难以直接替代电池进入电源领域。如果要进入电源领域,可通过两个途径来解决,一是和电池并连使用,互相取长补短。这不仅能大幅提高电池组瞬间大电流放电的能力,还能很好的延长电池组的使用寿命,同时也提高了电池的带载能力。另一个就是配合DC一DC模块来弥补电容放电曲线的先天不足,让电容能有一个尽可能稳定的电压输出。


还有一个问题就是目前电容的能量密度太低体积过大。有人可能会问,多少F的电容能相当于1个2Ah的18650锂电池呢?要回答这个问题首先要搞清电容量是个什么东西。为便于理解,我们不妨用水桶来作一比喻。电容量就好比是水桶的直径,当然直径越大盛水越多。但究竟能盛多少呢?还要看水桶的高度,这个高度就是加在电容上的电压。因此也可以说如果不设电压上限,一个法拉的电容可以存储全世界的电能!当然这只是一个夸张的假设。下面让我们来简单计算一下吧。为便于对比先将容量换萛成焦耳。


锂电池2Ah✘3.7V=7.2Wh


7.2Wh✘3600秒=25920焦耳


电容我们试选5.5V6000F的,放电终止电压参照锂电定为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


从以上计算结果可以看出,6000F 5.5V的电容可以替代一节锂电,但是硕大的体积是没有办法和一节18650电池相比的。还有一点就是2.5V以下的电能没有得到利用。


随着科技电子技术的不断发展,电容的容量也越做越大,在很多地方都逐渐代替了电池,比如说,自动冲水的水龙头有很多都用到了超级电容,容量非常大,来代替电池,中国也研制了用于汽车供电的超级电容,来代替电池给汽车发动机供电。

值得一提的是超级电容,超级电容是一种新型的储能装置,它是一种介于普通电容和电池之间的电源,具有充电时间短,循环使用寿命长等优点,被应用于很多领域,比如汽车的启停系统中就能看到超级电容的身影。

资料来源于:

诺贝尔官网nobelprize.org

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