电池和电容的区别,电池和电容正确连接

主要类别的储能技术在能量强度（下标）、可用电荷返回时间（左标）和有效储能时间（右标）方面的比较。蓝色区域（Flywheel）——飞轮，浅绿色——化学电池，灰蓝色（CAES）——压缩空气，蓝色（PHES）——抽水蓄能电站，浅蓝色（P2G）——制氢作为二次能源载体，绿色（ P2G) - 与甲烷相同。

Ragoni 图显示了不同电能存储技术的比功率和比能量之比

我们已经熟悉的陶轮飞轮，如果以现代技术水平制造，效率将非常高（效率高达 95-97%）。与其他储能解决方案相比，它们设计简单、耐用且可靠。在缺点中，值得注意的是它们在破坏过程中的高危险性。这样的事件发生的概率很小，但却是灾难重重。超级飞轮部分解决了这个问题——它们不是由单片材料制成，而是通过缠绕金属或复合带制成。当被破坏时，它们会分层并在外壳壁上减速。

20世纪中叶，飞轮曾被尝试用于交通工具，但并未获得成功。旋转体的陀螺力矩使这种机器难以控制，而且其重量大和动力储备短也终止了技术的大规模使用。飞轮仅在铁路运输中具有一定的潜力，在铁路运输中，运动过程中的振荡和振动较小，因此，由于悬架上的摩擦和陀螺效应造成的损失较小。

但事实证明，飞轮作为电网的储能设备非常出色。它们可以在一个小时的时间内储存数十或数百千瓦时的电力（有兆瓦级的项目）。现代解决方案在悬架中使用陶瓷或磁性轴承，在旋转体中使用复合材料，并在真空室内将其加速至数万转。商用飞轮驱动的具体能耗在每千克结构重量 10-20 瓦时之间变化（尽管理论最大值要高出一个数量级）。这是因为需要为这种设备提供一个巨大的机身，以防万一遭到破坏，以保护他人。

ABB S4 Energy KINEXT商业混合储能装置，6个飞轮 1块锂电池，总容量9MWh

飞轮在电子元件中有一个类似物——电容器。从严格的分类来看，只有它们才能称为真正的电能储能装置。因为，与化学电流源（稍后将讨论）不同，电容器不会将能量从一种形式转换为另一种形式。由于将阴极与阳极分开的电介质的极化，它以电场的形式存储。

电容器在现代科技中不可或缺，但很少用作长期储存装置。这是由于储能的比容量低和每千瓦时成本高。如果我们忽略缺点，电容器的优点是令人印象深刻的：充电和放电极快（即使是大容量也只需几秒钟），输出功率高且设计极其简单，以及使用寿命长。超级电容器有一些前景- 它们与“普通”电容器的不同之处在于以牺牲最大电压（因此输出功率）为代价针对电容进行了优化的设计。

有时，超级电容器与电化学电池组合在一个封装中，正如澳大利亚的一项开发项目所做的那样。从理论上讲，它体现了铅酸电池和超级电容器的所有优点，部分弥补了它们的缺点。电池的耐久性和峰值功率输出增加，同时保持高比容量。

化学电流源 (CHS) 是日常生活中最常见的储能设备类型。它们是一次性的（主要的）和可充电的（次要的）。它们之间的区别在于，用于储存能量的化学反应可以是可逆的，也可以是不可逆的。原则上，任何 HIT 都是一个或多个（然后它已经是电池）电化学电池：带有阳极（电极）的阴极，其间的空间充满电解质（电荷载体 - 离子的来源）。电极分别放置在电池的各自部分，并由仅允许离子通过的膜隔开（最简单的原电池不需要膜）。

放电时，电池像原电池一样工作，即阴极物质从电解质原子附着电子（氧化），而阳极物质被还原（释放电子）。当发生充电时，发生电解并且化学反应被逆转。CHIT 的特性直接取决于电极和电解质材料的选择，这就是它们令人难以置信的多样性的原因。

最古老的广泛使用的电池是铅酸电池。其中，成对的电极（一个是铅，另一个是氧化铅）浸入硫酸溶液中并由隔板隔开。如果将这样的电池连接到负载，铅将开始氧化为硫酸铅，二氧化铅将还原为相同的化合物。一个半世纪以来，对这种设计进行了许多改进，但没有发生根本性的变化。电池的主要优点是输出功率高、成本低，缺点是比容量低、毒性大。

最简单的电化学电池方案。使用盐桥代替离子交换膜

第二种常见类型的电池是使用基于偏氢氧化镍 ( NiO(OH) ) 和碱性电解液的阴极。对于阳极，可以使用镉、铁或具有高加氢能力的复合合金（金属氢化物）。在能量密度方面，此类电池明显优于铅酸电池，但价格较高。此外，毒性并没有好转（镉是一种毒药），自 2000 年代中期以来，出于环境原因，仅使用了金属氢化物变体 ( NiMH )。

最后，近几十年来的主要打击是锂，它已成为最广泛类别的电池的基础。它用于阳极和阴极的组合物，以及电解质（以盐的形式）。这种金属所用的化合物种类繁多，即使用笼统的术语也很难对其进行描述 - 各种类型的锂离子电池 ( Li -ion )，除了成分中的锂外，几乎没有共同之处彼此。它们的参数差异很大。最高效的选择达到每千克质量超过 200 瓦时的能量密度（有实验开发更高许多倍），这至少是镍氢电池的两倍。

锂电池的其他参数与其他常用类型的电池相当或超过。因此，锂离子电池已成为便携式技术、运输甚至小型电网的现代事实标准。容量高达几兆瓦时的存储设备项目正在制定中，然而，在目前的水平上，容量高达几十千瓦时的解决方案（汽车、私人住宅）具有经济意义。由于其特性的结合，锂电池在消费电子产品中获得了很高的知名度。这导致了大规模生产和技术改进，从而显着降低了此类电池的成本。

已经创造了几种类型的电池，并且在某些领域中使用有限。它们在任何一个特性上都不同，但在其他参数上却输给了锂、镍或酸。例如，锌空气电池可以具有创纪录的比能量容量，但它们寿命短、相对昂贵且效率低下（充电和放电期间损耗高）。有各种各样的实验性或曾经尝试过并丢弃的化学反应组合。其中一些在未来有成功的机会，一些由于已确定的关键缺点（成分毒性、爆炸性或高成本）而没有希望。

另一个故事是燃料电池。它们的排列方式类似于原电池，只有阴极和阳极由催化剂组成，消耗品进入电流形成反应。最常见的是氢（无论是纯氢还是化合物的一部分，例如甲醇）和氧气。事实上，在燃料电池中，会发生类似于燃烧的反应，只是热量输出较低，直接从中获取电子。理论效率趋于理想，但在实践中要获得60%以上的效率是极其困难的。并且考虑到生产中间能量载体的损失，效率变得更没有吸引力。

一种类似于燃料电池但在原理上类似于电化学电池的技术是氧化还原液流电池 ( PRB )。PRB 专家、电活性材料和化学电流源实验室负责人 Mikhail Petov 向Naked Science介绍了它们。迪。门捷列夫：

“ PRB 的主要思想是将电池中负责容量和功率的部分在空间上分离。第一个的作用由两个装有电解液的槽体担当，液流电池主体（放电电池）负责供电。两种电解质通过泵连续泵送通过放电电池，但它们不会相互混合，而是各自通过自己的半电池，在那里它们在电极表面被氧化或还原。一切都与经典的 H2/O2 燃料电池极其相似，但有一处不同。PRB 是一种电池，也就是说，与其电解液发生的反应是可以逆转的（或者简单地将槽中的液体换成预充电的）。

说到 PRB 的优缺点，必须马上说，这是一个相当小众的东西，根据各种估计，最适合长期储存大量能源储备。容量小或容量小的 PRB 太贵了——毕竟，它们需要泵和配件，而你显然不能把这样的东西装进手机里。此外，即使按比例放大，它们也具有相当小的比功率和比电容。但是现在主导市场的钒 PRB（来自钒盐硫酸盐溶液的电解质）可以承受多达 100,000 次充电和放电循环。电解质本身有时是为他们租用的，因为实际上在运行过程中不会发生太多事情。第二个优点是自放电非常低。PRB 可以充电并保持充电状态数月。PRB 也不易燃或易爆，它们具有较少的必须处理的有毒成分。因此，它们可以找到自己的位置，并且已经在寻找它们作为大型储能设备——例如，各个行业的备用电源。或者在电网中，预计它们在平衡风车或太阳能电池板的发电方面具有广阔的前景。”。

上述节能方法在小范围内效果很好。由于经济或技术原因，基于它们的驱动器的容量最高达到兆瓦级，存储时间为数小时或数天。即使是电化学电池，尽管能够充电数月，但在大型系统中也无利可图。他们每周 1% 或 2% 的自放电会严重损害经济。对于工业企业和整个城市，需要的是完全不同的东西。

一个久经考验的解决方案是使用水作为工作流体的重力蓄能器。在电网盈余（非高峰需求）期间，高地水库由下方水池的水泵补充。当需要平衡网络上增加的负载时，相同的水会下降，以与传统水力发电站相同的方式发电。效率达到 70% 甚至更高，设计的简单性使得早在 20 世纪初就可以制造此类电池。唯一不利的是调试所需的巨额资本成本，这使得抽水蓄能电站 ( PSPP ) 在必要时储存至少千兆瓦时的能源在经济上是合理的。

在抽水蓄能电站的积极品质中，值得注意的是能够以足够大的存储池存储数月甚至一年以上的能量。自然地，不可能在任何地方都建造这样的电池——需要很大的高度差。全世界总共有大约五千座抽水蓄能电站，其中一些还承担着平衡邻近地区供水的任务——这进一步提高了设施的经济效益。从物理学的角度来看，没有什么能阻止用任何负载代替水并简单地升高和降低它。这样的项目已经存在，并且在未来可能会变得更加普遍。它们的效率和理论功率较低，但它们适用于创建更小的重力能量存储（并且从环境的角度来看，它们通常更容易被接受）。