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【討論】法拉電容比能量揭密,你是否迷失了方向?

為了迎合節(jié)能減排的需求，電動(dòng)汽車適時(shí)興起，各種儲(chǔ)能設(shè)備百花齊放：鋰電、鐵電、法拉電容、飛輪... 一個(gè)個(gè)摩拳擦掌，誓比高低，讓人眼花繚亂。其中最吸引眼球的要數(shù)法拉電容了。法拉電容以其高容量、小體積、大脈沖放電的優(yōu)點(diǎn)，吸引了不少眼球，在儲(chǔ)電領(lǐng)域贏得了一些市場(chǎng)。

法拉電容的比能量究竟有多大？是否可以真的代替電池呢？目前，還沒有看到過關(guān)于法拉電容的能量密度極限方面的報(bào)道，也許是本人孤陋寡聞吧。為了弄明白這件事，作了一個(gè)計(jì)算，試圖了解法拉電容的能量極限。

目前介電常數(shù)最高的材料是一種陶瓷材料，相對(duì)介電常數(shù)30000，絕緣強(qiáng)度40KV/mm。

由于是尋找極限，因此先假設(shè)我們的工藝進(jìn)步了，能進(jìn)行納米加工，把介質(zhì)和金屬鋁箔做到一個(gè)分子的厚度（約1nm）, 二者的密度相近，一公斤鋁箔可做可延展至300000平方米面積，敷起來作為電極，這樣的材料N層復(fù)合起來，有2N-1個(gè)相對(duì)面，簡(jiǎn)便起見，我們按2倍計(jì)算，可知每層復(fù)合材料的靜電容為160000000法拉，但極限電壓只有40mV，為安全起見，額定工作電壓可取30mV，儲(chǔ)能多少呢？

0.5*160000000*0.03*0.03=72000（焦?fàn)枺?0WH/Kg.

10WH/公斤！這就是“納米工藝”下的法拉電容的比能量極限!!! 水平有限，供大家參考。

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hourdown
LV.6
2
2010-12-29 11:30

40mv取30mv你損失了25% ，

80mv取70mv你損失了12.5%

1
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2010-12-29 18:43
@hourdown
40mv取30mv你損失了25%，80mv取70mv你損失了12.5%
占位子
0
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陳永真
LV.8
4
2010-12-29 23:20

你說的滿不是這么回事，法拉電容器不使用拼命軋薄鋁箔實(shí)現(xiàn)的，使用多孔化活性炭獲得巨大的有效面積的，因此可以做的巨大的電容量，但是超級(jí)電容器不是萬能的，真正的法拉電容器的能量密度最好的在6瓦時(shí)/公斤。好多使用電化學(xué)電容器冒名頂替，電化學(xué)電容器的本質(zhì)是電池。

如果陶瓷電容器可以做大，相信會(huì)有非常大的電容量，但是陶瓷電容器做大了就會(huì)斷裂或熱膨脹系數(shù)的問題而炸掉。

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powerants
LV.6
5
2010-12-31 04:07
@陳永真
你說的滿不是這么回事，法拉電容器不使用拼命軋薄鋁箔實(shí)現(xiàn)的，使用多孔化活性炭獲得巨大的有效面積的，因此可以做的巨大的電容量，但是超級(jí)電容器不是萬能的，真正的法拉電容器的能量密度最好的在6瓦時(shí)/公斤。好多使用電化學(xué)電容器冒名頂替，電化學(xué)電容器的本質(zhì)是電池。如果陶瓷電容器可以做大，相信會(huì)有非常大的電容量，但是陶瓷電容器做大了就會(huì)斷裂或熱膨脹系數(shù)的問題而炸掉。

陳教授，我的目的不是設(shè)計(jì)與制造，而是通過這兩個(gè)“方法”來實(shí)現(xiàn)單位材料下的容量最大化：

1，用目前介電常數(shù)最高的介質(zhì)

2，用一個(gè)分子直徑厚度的極制作平板疊層電容，相對(duì)面積最大

二者都用極限條件，找到目前人們掌握的材料，及最極端的工藝下，真正法拉電容的極限能量密度。

現(xiàn)在法拉電容被吹上天去了，不撥點(diǎn)冷水不行的

當(dāng)然了，我主貼中的算法不太恰當(dāng)，實(shí)際上儲(chǔ)能只與介質(zhì)的介電常數(shù)、絕緣等級(jí)、總體積均成正比，與厚薄無關(guān)。

那么法拉電容要提高能量密度，只能從介質(zhì)的介電常數(shù)與絕緣等級(jí)兩方面入手。

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2010-12-31 08:09
@powerants
陳教授，我的目的不是設(shè)計(jì)與制造，而是通過這兩個(gè)“方法”來實(shí)現(xiàn)單位材料下的容量最大化：1，用目前介電常數(shù)最高的介質(zhì)2，用一個(gè)分子直徑厚度的極制作平板疊層電容，相對(duì)面積最大二者都用極限條件，找到目前人們掌握的材料，及最極端的工藝下，真正法拉電容的極限能量密度?，F(xiàn)在法拉電容被吹上天去了，不撥點(diǎn)冷水不行的當(dāng)然了，我主貼中的算法不太恰當(dāng)，實(shí)際上儲(chǔ)能只與介質(zhì)的介電常數(shù)、絕緣等級(jí)、總體積均成正比，與厚薄無關(guān)。那么法拉電容要提高能量密度，只能從介質(zhì)的介電常數(shù)與絕緣等級(jí)兩方面入手。
學(xué)習(xí)了
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陳永真
LV.8
7
2010-12-31 10:29
@powerants
陳教授，我的目的不是設(shè)計(jì)與制造，而是通過這兩個(gè)“方法”來實(shí)現(xiàn)單位材料下的容量最大化：1，用目前介電常數(shù)最高的介質(zhì)2，用一個(gè)分子直徑厚度的極制作平板疊層電容，相對(duì)面積最大二者都用極限條件，找到目前人們掌握的材料，及最極端的工藝下，真正法拉電容的極限能量密度?，F(xiàn)在法拉電容被吹上天去了，不撥點(diǎn)冷水不行的當(dāng)然了，我主貼中的算法不太恰當(dāng)，實(shí)際上儲(chǔ)能只與介質(zhì)的介電常數(shù)、絕緣等級(jí)、總體積均成正比，與厚薄無關(guān)。那么法拉電容要提高能量密度，只能從介質(zhì)的介電常數(shù)與絕緣等級(jí)兩方面入手。
對(duì)法拉電容就是要潑冷水，而且是對(duì)現(xiàn)在存在的法拉電容潑冷水。法拉電容的能量密度就僅能達(dá)到6瓦時(shí)每公斤，高了就是吹牛。
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井底蛙
LV.7
8
2010-12-31 11:04
@陳永真
對(duì)法拉電容就是要潑冷水，而且是對(duì)現(xiàn)在存在的法拉電容潑冷水。法拉電容的能量密度就僅能達(dá)到6瓦時(shí)每公斤，高了就是吹牛。
對(duì)于固定的阻性負(fù)載，電容兩端的放電電壓呈指數(shù)形式下降，不象電池那樣在相當(dāng)長(zhǎng)的放電過程中比較穩(wěn)定，是否也是其在應(yīng)用過程中的一個(gè)劣勢(shì)？
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2010-12-31 21:32

這個(gè)只能來學(xué)習(xí)了。

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dl36520
LV.5
10
2011-01-03 13:48
@高等數(shù)學(xué)
這個(gè)只能來學(xué)習(xí)了。
同感
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陳永真
LV.8
11
2011-01-03 16:44
@高等數(shù)學(xué)
這個(gè)只能來學(xué)習(xí)了。
想了解法拉電容器，最好是看看“電容器手冊(cè)”的第6章
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2011-01-03 19:10

一種很好的極限估算法。道破法拉電容能量極限的秘密。

不過有一個(gè)地方略微有點(diǎn)異議：

絕緣強(qiáng)度40KV/mm并不代表是40mV/nm。因?yàn)榻^緣材料的厚度越薄，絕緣強(qiáng)度會(huì)越高。不清楚這個(gè)40KV/mm的絕緣強(qiáng)度是在什么條件下測(cè)出來的。

當(dāng)然，這并不影響作者用這個(gè)方法推導(dǎo)法拉電容能量極限的邏輯正確性。

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lch6765000
LV.2
13
2011-01-05 11:07
@dl36520
同感

學(xué)習(xí)一下

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cheng111
LV.11
14
2011-01-05 11:25
@陳永真
想了解法拉電容器，最好是看看“電容器手冊(cè)”的第6章
這本書有電子版沒？
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XXKGDY
LV.6
15
2011-01-05 12:37
@讓你記得我的好
一種很好的極限估算法。道破法拉電容能量極限的秘密。不過有一個(gè)地方略微有點(diǎn)異議：絕緣強(qiáng)度40KV/mm并不代表是40mV/nm。因?yàn)榻^緣材料的厚度越薄，絕緣強(qiáng)度會(huì)越高。不清楚這個(gè)40KV/mm的絕緣強(qiáng)度是在什么條件下測(cè)出來的。當(dāng)然，這并不影響作者用這個(gè)方法推導(dǎo)法拉電容能量極限的邏輯正確性。

我這有一個(gè)0.1F電容5.5V的，它比X電容的一半還小，初看到時(shí)不敢相信，怎么那么?。坑檬裁醋龅?。

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lianrh
LV.4
16
2011-01-05 22:22
這里有一個(gè)錯(cuò)誤，并不是兩層鋁箔越近，能量密度越大，把鋁箔的距離增加一倍，能量就增加一倍。事實(shí)上，當(dāng)鋁箔距離遠(yuǎn)小于其尺寸大小時(shí)，存儲(chǔ)的能量大小只跟絕緣介質(zhì)有關(guān)，而跟鋁箔無關(guān)，這個(gè)可以用電場(chǎng)的能量公式來計(jì)算。所以超級(jí)電容的能量密度主要取決于絕緣材料。
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powercheng
LV.9
17
2011-01-06 14:08

學(xué)習(xí)了

我這里還有1F的6.3VDC的

巨大無比。

人類在材料領(lǐng)域還沒有獲得突破性進(jìn)展啊，電容的能量密度還是太低太低了。

 

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XXKGDY
LV.6
18
2011-01-06 16:11
@powercheng
學(xué)習(xí)了我這里還有1F的6.3VDC的巨大無比。人類在材料領(lǐng)域還沒有獲得突破性進(jìn)展啊，電容的能量密度還是太低太低了。 
誰能告訴我這是什么做的，0.1F只有TO-220封裝大小。
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holyfaith
LV.8
19
2011-01-06 20:17
@cheng111
這本書有電子版沒？
陳老師的書，買一本看看就知道了
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2011-01-06 23:08

不了解,學(xué)習(xí)了!!!!

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陳永真
LV.8
21
2011-01-06 23:09
@holyfaith
陳老師的書，買一本看看就知道了
最好是借一本，不要讓人家破費(fèi)。
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gzm888
LV.5
22
2011-01-09 20:23
@on_the_way_li
不了解,學(xué)習(xí)了!!!!

又學(xué)了一點(diǎn)

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2017-10-06 09:09
@讓你記得我的好
一種很好的極限估算法。道破法拉電容能量極限的秘密。不過有一個(gè)地方略微有點(diǎn)異議：絕緣強(qiáng)度40KV/mm并不代表是40mV/nm。因?yàn)榻^緣材料的厚度越薄，絕緣強(qiáng)度會(huì)越高。不清楚這個(gè)40KV/mm的絕緣強(qiáng)度是在什么條件下測(cè)出來的。當(dāng)然，這并不影響作者用這個(gè)方法推導(dǎo)法拉電容能量極限的邏輯正確性。
其實(shí)，所有的絕緣介質(zhì)，絕緣強(qiáng)度和厚度都是不成正比的。（可以說是連續(xù)的，但是非線性的）。事實(shí)上，陶瓷的分子間隙比較大，當(dāng)厚度足夠薄的時(shí)候，空氣，水分子，在電場(chǎng)力作用下都容易透過去。如果薄陶瓷＋液體的介質(zhì)介電常數(shù)可能會(huì)更高。
0
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2023-04-23 13:31

得用2.7V-3000F的 法拉電容 串并聯(lián) 可以實(shí)現(xiàn)

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