超級電容炭及其在鉛炭超級電池中的應(yīng)用12屆鉛酸電池會議深圳20110327改

1、2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容炭及其在鉛炭超級電池中的應(yīng)用 湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 梁 逵 2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會 提 綱n背景n一、 超級電容器簡介n二、 超級電容炭的制備n三、 鉛炭超級電池原理n四、 鉛炭超級電池用炭n小結(jié)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會背背 景景石化資源匱乏環(huán)境污染清潔能源新技術(shù)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會發(fā)展瓶頸發(fā)展瓶頸n電動汽車發(fā)展瓶頸：動力電池n風(fēng)光發(fā)電發(fā)展瓶頸：儲能電池2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會我國電動汽車路線圖我國電動汽車路線圖n2010年2月四位

2、電池相關(guān)專業(yè)的中國工程院院士楊裕生、陳立泉等聯(lián)名向溫家寶總理寫信，建議發(fā)展低速短程電動汽車、發(fā)展增程式電動汽車n2011年2月汽車領(lǐng)域中國工程院院士郭孔輝發(fā)文建議：發(fā)展小型電動汽車2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會微混電動汽車采用不同儲電體系的成本和重量比較微混電動汽車采用不同儲電體系的成本和重量比較 儲電體系系統(tǒng)重量（kg）成本(US$)鋰離子電池341020鎳氫電池55660外并式超級電容器/鉛酸電池701070UltraBattery55220注：表中數(shù)據(jù)引自2006年文獻，但近來數(shù)據(jù)表明鋰離子電池成本已與鎳氫電池的接近。2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會一、

3、超級電容器簡介一、超級電容器簡介2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容器的特點超級電容器的特點n超級電容器是一種介于傳統(tǒng)介質(zhì)電容和二次電池之間的新型儲能器件，其具有如下特點：n 功率密度高：功率密度高： 5000W/kgn 循環(huán)壽命長：循環(huán)壽命長： 10 萬次萬次n 充放電效率高充放電效率高 ： 90%n 溫度特性好：溫度特性好： -4070C2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會傳統(tǒng)電容器傳統(tǒng)電容器超級電容器超級電容器采用大比表面積惰性材料做電極，采用大比表面積惰性材料做電極，界面存儲電荷，界面存儲電荷，10F/cm2超級電容器與傳統(tǒng)電容器對比超級電容器與傳統(tǒng)電容

4、器對比通過介質(zhì)極化存儲電荷，通過介質(zhì)極化存儲電荷，儲電密度儲電密度10-6F/cm22021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容器超級電容器電電 池池表面吸脫附或氧化還原表面吸脫附或氧化還原二維儲電器件二維儲電器件超級電容器與電池對比超級電容器與電池對比體相氧化還原反應(yīng)體相氧化還原反應(yīng)三維儲電器件三維儲電器件2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會儲電器件性能對比儲電器件性能對比 性能指標(biāo) 傳統(tǒng)電容器 超級電容器 二次電池 比能量 (wh/kg)0.05-0.1 4-840-150 能量密度 (wh/L)0.15-0.28-1570-200 比功率 (w/kg)很高5000

5、100-1000 循環(huán)壽命 (次)很長100000500-20002021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容器的原理超級電容器的原理n1 雙電層電容n2 法拉第準(zhǔn)（贗）電容 雙電層電容的形成2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會雙電層電容工作原理雙電層電容工作原理2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會雙電層電容工作原理雙電層電容工作原理2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器的基本結(jié)構(gòu) 2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會小型超級電容器剖面圖超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器的結(jié)構(gòu)2021-9-23第12屆

6、全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容器元件超級電容器元件2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容器性能對比超級電容器性能對比2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容器的應(yīng)用超級電容器的應(yīng)用電動車風(fēng)能及光伏發(fā)電軍事用途家用電器2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容器與電池復(fù)合超級電容器與電池復(fù)合 n外在復(fù)合: 各自獨立做成器件，超級電容器與電池并聯(lián)，需附加控制電路等；n內(nèi)在復(fù)合: 儲電原理復(fù)合，不需附加控制電路 鉛酸電池/超級電容器（鉛炭超級電池）; 鎳氫電池/超級電容器（鎳炭超級電池）; 鋰離子電池/超級電容器（鋰炭超級電池） 今后許多儲電器件既是一

7、個電池,又是一個超級電容器！2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會為何鉛炭超級電池備受重視為何鉛炭超級電池備受重視 n鉛炭超級電池中鉛與炭剛好互相取長補短，如鉛密度大、炭則密度小；與鉛酸電池相比，鉛炭超級電池不僅保留了成本低、安全性好等優(yōu)勢，而其循環(huán)壽命大幅提高、比功率明顯提高、甚至由于炭加入提高了活性物利用率，其比能量也有所提高;性能達(dá)鎳氫電池水平，成本僅其1/3； 美國政府的下一代電池和電池車計劃將鉛炭超級電池作為其重點支持的兩種電池之一； n鎳炭超級電池，電容炭的復(fù)合，性能提升不明顯；n鋰炭超級電池，電容炭的復(fù)合，會降低其比能量。 2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年

8、會超級電容器常用電極材料超級電容器常用電極材料n1 炭材料：活性炭、活性炭纖維(布);模板碳;碳納米管及碳納米陣列;納米門炭;石墨烯等n2 金屬氧化物：RuOx; NiOx, CoOx, MnO2 等n3 導(dǎo)電聚合物： PPY，PAN等2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會二、超級電容炭的制備二、超級電容炭的制備2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容炭制備流程圖超級電容炭制備流程圖 超級電容炭的制備 （木基、煤基、石油焦基、樹脂基）原材料粉碎、過篩活化劑粉碎、混合加熱活化洗滌、過濾、干燥蒸餾水、酸電容炭2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會堿活化制備超級電

9、容炭的機理堿活化制備超級電容炭的機理 主要反應(yīng)4 MOH + C 4 M + CO22H2O 6 MOH + C 2 M + 3 H2 + 2 M2CO3 4 MOH + CH2 2 M2CO3 + M2O + 3 H2 8 MOH + CH 2 M2CO3 +2 M2O +5 H2 4 MOH + 2 CO2 2 M2CO3 + 2 H2O 2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容炭工藝超級電容炭工藝結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能關(guān)系圖性能關(guān)系圖 電容炭性能電容炭性能(質(zhì)量比容量質(zhì)量比容量、振實密度振實密度) 電容炭結(jié)構(gòu)電容炭結(jié)構(gòu)(表面官能團、表面官能團、比表面積和中孔比例比表面積和中孔比例、

10、石墨微晶石墨微晶、致密度致密度) 電容炭制備工藝電容炭制備工藝(原料、復(fù)合活化原料、復(fù)合活化、后處理后處理、微波活化微波活化) 2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容炭的電化學(xué)性能超級電容炭的電化學(xué)性能 超級電容炭恒流充放電特性 -0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00.00.20.40.60.81.01.2電壓（V）時間 (h)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容炭循環(huán)穩(wěn)定性超級電容炭循環(huán)穩(wěn)定性 0204060801001.01.21.41.61.82.0容量(mAh)循環(huán)次數(shù)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)

11、術(shù)年會超級電容炭充放電曲線超級電容炭充放電曲線 0.000.050.100.150.200.250.300.00.20.40.60.81.01.2電壓(V)時間(h)100mA/g 200mA/g 500mA/g2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會超級電容炭的循環(huán)伏安曲線超級電容炭的循環(huán)伏安曲線 1.00.80.60.40.20.0-0.04-0.020.000.020.04電流(A)電壓(V)2mv/s8mv/s2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會微波活化特殊效應(yīng)微波活化特殊效應(yīng) n內(nèi)外部同時加熱n微爆炸效應(yīng)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會微波加熱與常

12、規(guī)加熱對比微波加熱與常規(guī)加熱對比2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會微波加熱替代常規(guī)電阻爐加熱的優(yōu)勢微波加熱替代常規(guī)電阻爐加熱的優(yōu)勢 常規(guī)加熱時，熱流從物料外部由表及里進行傳導(dǎo)加熱，活化過程中物料表層孔隙被燒蝕垮塌后心部孔隙才能形成。因此常規(guī)活性碳微球內(nèi)外孔徑不均勻、致密度低，振實密度低。 而微波加熱時，物料的加熱是通過高頻電磁場介質(zhì)損耗而加熱。微波輻照時物料表層與心部同時加熱，不必等到表層孔隙被燒蝕垮塌心部孔隙即可形成。因而微波活性碳微球內(nèi)外孔徑均勻、致密度高，振實密度高。2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會鉛炭超級電池

13、原理圖鉛炭超級電池原理圖2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會鉛炭超級電池結(jié)構(gòu)圖鉛炭超級電池結(jié)構(gòu)圖2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會鉛炭超級電池樣品鉛炭超級電池樣品2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會 （1）回收率高（97%） （2）安全性好（無易燃成分） （3）基礎(chǔ)好（無須大量投入） （4）價格低廉 1KWh（HEV輔助動力）： Ni-MH $2000 （近期價格） Li-ion $1000 （預(yù)期價格） Pb-C $250 （近期價格）鉛炭超級電池優(yōu)勢鉛炭超級電池優(yōu)勢2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會Cycling performance

14、of flooded SLI battery,improved flooded SLI battery and flooded UltraBattery2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會電池類型指標(biāo)1#2#3#4#HD4-1%開路/V13.4413.4313.4613.49內(nèi)阻/m11.510.911.712.4HD4-2%開路/V13.4213.4713.4113.46內(nèi)阻/m11.110.910.511.3對比電池開路/V13.3913.3913.4113.40內(nèi)阻/m13.212.812.612.9鉛炭電池與對比電池的開路及內(nèi)阻對比鉛炭電池與對比電池的開路及內(nèi)阻對比 2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會 小小 結(jié)結(jié)n與常規(guī)鉛酸電池相比，鉛炭超級電池性能提升已初見成效；n鉛炭超級電