電化學(xué)電容器-第一章概論

1、1電化學(xué)電容器電化學(xué)電容器Electrochemical Capacitor (EC)華師2第一章 緒論 主要內(nèi)容主要內(nèi)容u電容器與電化學(xué)電容的概念及原理u電化學(xué)電容器的特點(diǎn)u電化學(xué)電容器的結(jié)構(gòu)u電化學(xué)電容器的分類u電化學(xué)電容器的應(yīng)用3第一章 緒論一 電容器與電化學(xué)電容的概念及原理1. 電容器(capacitor) 概念：概念：顧名思義，是裝電的容器，是一種容納電荷的器件。由兩片接近并相互絕緣的導(dǎo)體制成的電極組成的儲(chǔ)存電荷和電能的器件。 其每伏電壓儲(chǔ)存電荷的能力稱為電容電容（capacitance）結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：兩個(gè)電極、絕緣電介質(zhì)45發(fā)展的歷史： 最早的電容器：萊頓瓶，18世紀(jì)中葉 電量的定量

2、化：法拉第定律，Q= I.t 電子的表征及性質(zhì)測(cè)量：電的波粒二象性 金屬的電子理論：電容器充放電的機(jī)理6概念：概念： 是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能元件。又稱作超大容量電容器（Ultracapacitor）和超級(jí)電容器（Supercapacitor）。 原理：原理：利用電極表面形成的電雙層或發(fā)生的二維或準(zhǔn)二維法拉第反應(yīng)儲(chǔ)存電能。2. 電化學(xué)電容(Electrochemical Capacitor)的概念及原理7 1957年，Becker第一個(gè)申請(qǐng)了專利：碳電極雙層型，水性電解質(zhì) Becker后，美國(guó)Sohio公司開始研制非水溶劑碳材料雙層電容，獲得了較高工作電壓 1975-1981年

3、間：Conway等開發(fā)了貴金屬準(zhǔn)電容體系和固體氧化物(如RuO2)準(zhǔn)電容體系 現(xiàn)在的商業(yè)化電化學(xué)電容器產(chǎn)品 軍用電化學(xué)電容器產(chǎn)品：Pinnacle Research公司電化學(xué)電容器的研制歷史89我國(guó)電化學(xué)電容器研制情況：我國(guó)電化學(xué)電容器研制情況： 起步較晚：上世紀(jì)80年代開始注意 90年代后才可以廣泛研究 國(guó)內(nèi)主要企業(yè)：北京合眾匯能科技：核心炭材料技術(shù)領(lǐng)先北京集星聯(lián)合電子科技：產(chǎn)業(yè)鏈較為完哈爾濱巨容新能源錦州凱美能源上海奧威科技開發(fā)有限公司 江蘇雙登集團(tuán)有限公司 高校： 中南大學(xué)(耐普恩+立塬) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（巨容） 清華大學(xué)+渤海大學(xué)（吉星+凱美） 復(fù)旦大學(xué)(奧威) 湖南大學(xué)(深圳今朝時(shí)代

4、) 10二二. 電化學(xué)電容器的特點(diǎn)電化學(xué)電容器的特點(diǎn)1. 高能量密度：1-10W.h/kg，是傳統(tǒng)電容器的10-100倍。2. 高功率密度：輸出功率密度高達(dá)數(shù)kW/kg，一般蓄電池的數(shù)十倍。適用于短時(shí)間高功率輸出的場(chǎng)合。3. 3. 使用壽命長(zhǎng)：其循環(huán)壽命可達(dá)10萬(wàn)次以上，比電池高10 100倍。4. 使用溫度范圍寬：可在-40o+70o的溫度范圍內(nèi)使用，且容量隨溫度衰減小。電池在-20o+60o，且低溫下衰減快。115充電速度快：可大電流充電，在幾十秒內(nèi)完成。 電池則慢，快速充電則會(huì)受到損害6放置時(shí)間長(zhǎng)：自放電后重新充電可回到原來(lái)的狀態(tài)，幾年不變7解決了貯能設(shè)備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾

5、，將它與蓄電池組合起來(lái)，就會(huì)成為一個(gè)兼有高比功率輸出的貯能系統(tǒng)。8免維護(hù)，環(huán)保 1213三三. 電化學(xué)電容器的結(jié)構(gòu)電化學(xué)電容器的結(jié)構(gòu) 電化學(xué)電容器主要由電化學(xué)電容器主要由電極電極、電解質(zhì)電解質(zhì)和和隔膜隔膜組成組成，其中電極包括電極活性物質(zhì)和集電極兩部分。14集電極的作用：降低電極的內(nèi)阻集電極的要求：與電極接觸面積大，接觸電阻小，穩(wěn)定。集電極的常用材料-根據(jù)電解質(zhì)來(lái)選擇 鈦材料：酸性電解質(zhì) 鎳材料：堿性電解質(zhì) 鋁材料：有機(jī)電解質(zhì)15隔膜的作用：防止兩個(gè)電極物理接觸，同時(shí)允許離子通過(guò)。隔膜的電阻：與厚度成正比，與孔隙率成反比為了降低電容器的ESP，對(duì)隔膜的要求: 超薄 高孔隙率 高強(qiáng)度 隔膜和電解

6、液之間的潤(rùn)濕性常用材料：玻璃纖維和聚丙烯膜16171819202122232425 電化學(xué)電容器的主要結(jié)構(gòu)形式26 電化學(xué)電容器的主要結(jié)構(gòu)形式27兩種結(jié)構(gòu)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)：兩種結(jié)構(gòu)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)：紐扣式電容器（Prismatic） 優(yōu)點(diǎn)：封裝密度高，且形狀和結(jié)構(gòu)便于多個(gè)電容器的串聯(lián)以得到高電壓 缺點(diǎn)：難以容納大面積電極，且封裝外殼需承受較大壓力卷繞式電容器（Spiral Wound)：優(yōu)點(diǎn)：電極易于制備，且可容納大面積電極缺點(diǎn)：封裝密度低，且多個(gè)電容單元串聯(lián)時(shí)占用空間較大，難以在較小體積內(nèi)獲得較高工作電壓。28四四. 電化學(xué)電容器的分類電化學(xué)電容器的分類根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理，可分為三類 （1）雙電層電容

7、器 （2）法拉第準(zhǔn)電容器 （3）混合電容器292. 根據(jù)電解液的不同，可分為三類 （1）水系電化學(xué)電容器 （2）有機(jī)系電化學(xué)電解質(zhì) （3）全固態(tài)電化學(xué)電容器303. 根據(jù)電極材料的不同，可分為四種 （1）碳電極電容器 （2）金屬氧化物電極電容器 （3）導(dǎo)電聚合物電極電容器 （4）復(fù)合材料電極電容器314. 根據(jù)結(jié)構(gòu)及電極上發(fā)生的反應(yīng)，可分為兩類 （1）對(duì)稱型電化學(xué)電容器，其特點(diǎn)是兩個(gè)電極的組成相同，電極反應(yīng)相同且反應(yīng)方向相反。 （2）非對(duì)稱型電化學(xué)電容器，兩個(gè)電極組成不同或反應(yīng)不同，例如由n型和p型摻雜的導(dǎo)電聚合物作電極的電化學(xué)電容器。32五五. 電化學(xué)電容器的應(yīng)用電化學(xué)電容器的應(yīng)用 根據(jù)電容

8、量、放電時(shí)間和放電量的大小，主要用作如下四類電源：1. 輔助電源：軍用、電動(dòng)汽車用2. 備用電源：3. 主電源：電動(dòng)玩具4. 替換電源：與太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管結(jié)合，用于路標(biāo)燈、太陽(yáng)能手表等3334353637 + 電容器電容器 恒壓電路恒壓電路 俄國(guó)：莫斯科市電容公交車俄國(guó)：莫斯科市電容公交車 充電一次行駛充電一次行駛20公里公里 速度速度 25公里公里/小時(shí)小時(shí) 電容器電容器 950kg， 0.7m3 儲(chǔ)能儲(chǔ)能 50MJ 可用能可用能 10度電度電 日本：電容自行車日本：電容自行車 充電充電15秒，行駛秒，行駛20公里公里 哈爾濱：哈爾濱： 無(wú)軌電車離線行駛的電源無(wú)軌電車離線行駛的電源 上

9、海：上海：電容公交車電容公交車38上海電容公交車上海電容公交車39電動(dòng)車電動(dòng)車能源能源的的節(jié)能節(jié)能如果是如果是內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)可減小其設(shè)計(jì)功率，可減小其設(shè)計(jì)功率，減輕重量，節(jié)省油料，降低污染；減輕重量，節(jié)省油料，降低污染；如是如是燃料電池燃料電池可減小，可減小， 簡(jiǎn)化設(shè)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)如是如是各種蓄電池各種蓄電池可延長(zhǎng)電池壽可延長(zhǎng)電池壽命，節(jié)省電能。命，節(jié)省電能。 40HONDA燃料電池燃料電池/超級(jí)電容器小轎車超級(jí)電容器小轎車1 回收能量回收能量2 輔助啟動(dòng)輔助啟動(dòng)3 穩(wěn)定電源穩(wěn)定電源41日產(chǎn)汽車公司日產(chǎn)汽車公司2002年推出的年推出的超級(jí)電容器混合電動(dòng)卡車超級(jí)電容器混合電動(dòng)卡車4243六 電化學(xué)電容器的發(fā)展前景 電化學(xué)電容器可分為低壓產(chǎn)品和高壓產(chǎn)品，其發(fā)展方向主要如下：低壓產(chǎn)品 1. 縮小體積各類電子產(chǎn)品體積的縮小要求電容器必然小型化 2. 降低