超高電容器應用、市場與材料 · 8.4 11.7 15.1 大型超高電容器 (電容量>500f)...
TRANSCRIPT
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
超高電容器應用、市場與材料
蔡麗端
工研院材化所
2012.04.26
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Where are we ?
EDLC
HighLow Energy Density
Capacitor replacement
Battery complement
Battery replacement
BatteriesLow
Pow
er D
ensi
tyH
igh
Li-ion
EDLC + Battery Hybrid System
IdealTarget
Capacitors
AdvancedAdvancedBatteriesBatteries
AdvancedAdvancedCapacitorsCapacitors
Asymmetric Electrodes Hybrid Device
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Energy vs. PowerSupercapacitors bridge between batteries and conventional capacitors
Supercapacitors are able to attain greater energy densities while still maintaining the high power density of conventional capacitors.
Supercapacitors are a potentially versatile solution to a variety of emerging energy applications based on their ability to achieve a wide range of energy and power density.
Energy – the capacity to do workPower – how fast the energy is delivered
*Halper, M.S., & Ellenbogen, J.C., MITRE Nanosystems Group, March 2006Regone plot of energy storage systems*
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
何謂Supercapacitor?
An electrical energy storage which stores energy through the electrostatic or charge transfer processes at the interface between electrode and solution.
The capacitance is very large compared to conventional electrolytic capacitors.( on the order of several farads per gram)
同義字
Electrochemical capacitorUltracapacitorCapattery
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
電雙層電容器
鋁電解電容器薄膜電容器
陶瓷電容器
鉭電解電容器
1μF1nF 1mF 1F 1000F
EDLC電容量範圍從0.01F~數百F遠較傳統電容器高故謂 “超高電容器”!!
參考資料: Panasonic
各種電容器之容量比較
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
傳統電容器 電雙層電容器
超電容與傳統電容器之比較
C =εA/d
d: thickness of dielectric d: thickness of electric double layer(
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Evolution of electrochemical capacitor modeling theory
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Charged
ChargedE
EDLCs store charge electrostatically at electrode/electrolyte interface as charge separation.
Cdl: 10-50 uF/cm2*
There is no charge transfer between electrode and electrolyte.
*Conway, B. E., Birss, V. & Wojtowicz, J. Journal of Power Sources 66, 1-14 (1997)
+++++
-----
++
--
+++++
-----
++
--
Electrolyte
+ -
Electrode
超電容儲能機制
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Characteristic 電解電容器 碳超高電容器 電池
能量密度(Wh/kg)
>10000 500-10000 500000 ~1000
Vmax決定因子 介電層厚度與強度
電極與電解液安定電位
相變化之
熱力學穩定性
電容量決定因子 電極面積與
介電層
電極微結構與電解液
活性物質與
熱力學穩定性
儲能元件之特性比較
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Laptop
UPS
Golfcar
Solar cell
Cell-phone
PCMCIA
Wind Turbine
EV
Robot
Inverter
Photo flashTrain
超高電容器應用
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 Ref: Nippon Chemicon展示海報(2008)
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Power density (kW/kg)
Ene
rgy
dens
ity (W
h/kg
)
瞬間可放出的電力較高
可儲存的電量較多
Li-ion capacitor
Nano hybrid capacitor
既有活性碳EDLC
Pb-acid battery
Ni-M
H battery
Li-ion battery
HEV能量再生用途
事務機器車用電子用途 建設機械、鐵道用途
Ref: 譯自K. Naoi、K. Tamamitsu簡報 (2009)
Where are we ?
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
投影機冷卻風扇
玩具
USB bus power 輔助
降低電池loading
影印機PPS定著滾筒加熱
建設重機械
鐵道車
電梯
Memory backup
緊急時actuator驅動
UPS LED驅動
緊急時回路驅動
風力發電變動量吸收
長壽命低阻抗
線性充放電曲線
(慢充、快放)
(快充、慢放)
(快充、快放)
(免維護、信賴性)
(省去需時間控制的麻煩)
Ref: 譯自Elna產品介紹 (2008)
超高電容器的應用
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
作為peak current之輔助輸出降低電源端所需負擔之輸出
作為抑制電源端變動用使輸出電力平滑化
Ref: Elna產品介紹 (2008)
輸出電力平滑化
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
作為能量之回收用,減少輸出電力之無效損失
Ref: Elna產品介紹 (2008)
Energy Regeneration Application
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
資料來源: Enerland Co., Ltd (2006)
Nissan IES
Honda GM
Ford Subaru
Saab Toyota
Supercapacitor之應用例-HEV
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Supercapacitor
Supercapacitor(桿內)
Solar cell
日間 Solar cell
Supercapacitor之應用例-夜間照明
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
資料來源: Meidensha Co. “Advanced Capacitors World Summit 2006”
Supercapacitor之應用例-Electric Railway
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
•For a typical installation, each SITRAS SES system can achieve savings of 320 MWh per year.
•Based on an approximate energy cost of $100 per MWh, this means cost savings of $32,000 per station.
• On a network with 400 stations, this would work out as 128,000 MWh saved per year, or a cost saving of $12.8 million annually.
SITRAS SES
SITRAS SES was developed by the engineers of Siemens Transportation Systems
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
超高電容器公車
‧雖然超高電容器單位能量之成本最貴,但其具快速充放電特性,因而其使用之總能量較低(約為電池之1/30),總價格為鋰電池之1/4.5.
‧超高電容器公車可取代無軌電車系統,節電60%。
‧在交通壅塞時段時,有不易靠站充電之危機。(需求公車專用道)
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
中央大學\Super-Capacitor in china 2V-20110330.pdf
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
普及時期 容量
2008年 2012年 2015年 中型 大型
車用 混成車用主電源 △ △ △ O
燃料電池車補助電源 X X X O
電動車用主電源,輔助電源 X X △ O
煞車備用電源 O O O O
怠速熄火機構用電源 △ △ O O X
動力系統用電源 X X △ O
產業 影印機用電源 O O O O
電梯能源再生用電源 X X X O
工作機械機器人用馬達電源 △ △ △ O
動力挖土機 O O O O
電力 瞬間壓降補償裝置 △ △ O O
太陽光, 風力發電 △ △ △ O O
應用領域用途別
X: 未導入△: 試驗導入階段O: 普及
Ref: 總合技研, 2009.
超高電容器應用領域普及預測
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 Source:SPS
超高電容器性能分類
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
普及時期 容量
2008年 2012年 2015年 中型 大型
車用 混成車用主電源 △ △ △ O
燃料電池車補助電源 X X X O
電動車用主電源,輔助電源 X X △ O
煞車備用電源 O O O O
怠速熄火機構用電源 △ △ O O X
動力系統用電源 X X △ O
產業 影印機用電源 O O O O
電梯能源再生用電源 X X X O
工作機械機器人用馬達電源 △ △ △ O
動力挖土機 O O O O
電力 瞬間壓降補償裝置 △ △ O O
太陽光, 風力發電 △ △ △ O O
應用領域用途別
X: 未導入△: 試驗導入階段O: 普及
Ref: 總合技研, 2009.
超高電容器應用領域普及預測
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
超高電容器市場發展
2006年在美國的消費市場, Supercapacitors達到$500 million USD的產值,預估2012年產值會持續增加到$2.0 billion USD 。(Source: J. Chmiola, R. K. Dash, G. Yushin, and Y. Gogotsi, Drexel University,2006)
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Size of China's Super Capacitors Market, 2005-2008
• The current annual demand for super capacitors is 21.5 million pieces in China, about 120 million Wh. In 2008, the size of China's super capacitor market reached RMB1.33bn, up by 55% year-on-year. Within the market, coin-size super capacitors account for RMB210m, while wound and largesuper capacitors RMB1.12bn.
• The value of the global super capacitors industry reached $6.75bn in 2008, up by 50% year-on-year. Of the value, coin-size super capacitors account for $1.53bn, while wound and large super capacitors $5.22bn.
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
超高電容器全球之市場規模自2001年至今不斷成長,在2008年總數量為6.23億個,預計2015年總數量可達13.73億個,2020年總數量可達20.81億個,市場持續在成長。
來源:來源:HiedgeHiedge Institute,2008Institute,2008
2001~2009市場 2008~2020市場
超高電容器市場發展
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
以銷售額計共約422億日圓(NT147.7億元) 以銷售數量計共約6億2255萬個
至2008年為止,所銷售之元件主要仍以1F以內之小容量產品為主來源:來源: HiedgeHiedge InstituteInstitute
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
小型超高電容器EDLC
(電容量500F)
鋰離子電容器LIC(電容量>1000F)
(High energy、high power)
手機 電動車消費性電子建設
搬運機械不斷電系統
風力太陽能
電力
電容量 特性需求 用途 2008年 2015年 2020年
備用高功率
高功率
高功率高能量
手機 44.5 75.3 83.3消費性電子
車用
建設/搬運機械
能量元件(風力、太陽能、電力)
軍用
其他
總計
41.3 56.7 74.28.4 80.5 89.38.4 11.7 15.1
大型超高電容器(電容量>500F)鋰離子電容器
(電容量>1000F)
24.2 34.0 43.8
11.6 11.6 11.69.5 13.3 17.0
147.7 283.0 334.1
中大型超高電容器(電容量1~500F)
小型超高電容器(電容量
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
•Daily profiles of wind power projected by 7 output in April 2005 for the year 2011 in Tehachapi, California (Courtesy of ISO California)•The World Energy Council estimates that new wind capacity worldwide will total up to 474 GW by 2020.
•5 MW PV power over a span of 6 days in Spain (Courtesy of AES)
•The output from photovoltaic (PV) module installations is currently growing at 40% per year worldwide. The United States targets100 GW solar power by 2020.
再生能源之需求
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
再生能源儲存及穩定供電
儲能系統突破再生能源建置困境
電網提高可靠度及自由度
電網電力儲存及調節
電網電力品質提高– 電網穩定性
– 緊急用電、備用電力及獨立區域供電
再生能源儲存及穩定供電– 調節再生能源波動,減少衝擊
電網電力儲存及調節– 電力管理
– 調節尖峰與離峰電力
– 平衡日夜用電,節省契約用電容量
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Power and discharge duration (or energy) requirements for varied applications
•Regulate frequency:-Storage capacity may not need to be long-lasting ( minutes can be sufficient)-a long cycle life (multiple daily discharge)-High discharge rates or high current densities are important•Energy management (load shifting):-the capacity up to MWh or GWh (discharge durations up to a few hours or more at designated power)-high round-trip energy efficiency and a long deep-cycle life, along with low operation and maintenance costs, are principal drivers
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Energy Storage Options
With permission from EPRI, Electric Energy Storage Technology Options: A Primer on Applications, Costs & Benefits, December 2010
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
Carbon Materials for Supercapacitor
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
超高電容器分類
超高電容器分類
Supercapacitor
Metal Oxides
Conducting Polymers
Carbon Aerogels
ActivatedCarbons
CarbonNanotubes
PseudocapacitorsElectric DoubleLayer Capacitors
AsymmetricHybrids
HybridSupercapacitors
CompositeHybrids
Battery-typeHybrids
EDLC
本部門已具備之技術
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
碳材之分類
石墨
天然石墨與人工石墨
石墨化碳
碳纖維
介穩相球狀碳(MCMB)
非石墨
可石墨化碳(軟碳) –焦碳
碳黑
不可石墨化碳(硬碳)
活性碳
Polyacene semiconductor (PAS)
Phenolic resin
Poly(p-phenylene) (PPP)
Polyamide resin
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
This diagram comprehensively models the structural changes which occur duringthe heat treatment of a graphitizable carbon, HIT 1100-3300 K
mesophase
Graphene
Graphite
碳材結構模型
-
Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
製造活性碳所使用之原料
Raw MaterialsCoal or PitchWoodCoconutPalm
PetroleumPhenol ResinRayonWaste
Coal or Pitch
Wood
Coconut
Petroleum
Rayon
Palm kernel
Phenol resin
WasteRice husk Coffee husk Waste tireWaste
plastic bottleWaste paper
超高電容器應用、市場與材料Energy vs. Power超高電容器應用超高電容器市場發展儲能系統突破再生能源建置困境Energy Storage OptionsCarbon Materials for Supercapacitor�超高電容器分類碳材之分類製造活性碳所使用之原料