石墨烯超級電容器-雅軒淋淋

石墨烯超級電容器的制造技術(shù)及其應(yīng)用進展雅軒淋淋主要內(nèi)容不同儲能器件的介紹石墨烯超級電容器的研究進展國內(nèi)外石墨烯生產(chǎn)現(xiàn)狀應(yīng)用進展結(jié)論一、不同的儲能器件介紹超級電容器鉛酸電池鎳鎘電池普通電容器鋰離子電池蓄電池3儲能特點：功率密度（W/kg)指的是單位重量的電池在放電時可以以何種速率進行能量輸出。能量密度（Wh/kg）是指單位重量的電池所儲存的能量是多少。4儲能機理：充放電特點：快速大功率；慢速大容量。5石墨烯作為超級電容器電極材料的優(yōu)勢①石墨烯具有大的比表面積單層石墨烯的比表面積理論值達到2630m2/g。②石墨烯的平面片狀結(jié)構(gòu)有利于電解液的浸潤和離子的吸附/解吸，提高電容器的儲能密度和功率特性。石墨烯片層搭接形成的穩(wěn)定介孔結(jié)構(gòu)，能增大電容器有效利用的雙電層面積。③石墨烯片層具有優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性——降低內(nèi)電阻。并提高其散熱性能，從而提高電容器的充放電速率和功率密度。6二、石墨烯超級電容器的研究進展1.美國研制超級電池：幾秒鐘內(nèi)完成手機充電最近美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機甚至汽車充電，同時可用于制造體積較小的器件。30min-1007Science,2012,335(6),1326-1330有望用于高能、柔性電子產(chǎn)品中。82.科學(xué)家用石墨烯合成新型碳材料——KOH活化

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校機械工程系材料科學(xué)與工程教授RodneyS.Ruoff領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊成功制備出一種由石墨烯衍生出的新型三維多孔碳材料。3100m2/g

利用該材料作為電極組裝成的超級電容器，其能量密度(70Wh/kg)可達到鉛酸電池的水平，同時還保持超級電容器固有的高功率輸出和極快的充電速度(250kw/kg)，有望應(yīng)用于電動汽車以及解決風能、太陽能等間歇性能源的存儲問題。Science,

2011,

332(24).1537-154193.美研制新型超級電容器，儲能打破世界紀錄——卷曲的石墨烯美國俄亥俄州代頓市NanotekInstruments公司新研制的石墨烯基超級電容器在室溫下可以達到85.6Wh/kg(80℃時為130Wh/kg)的能量密度，相當于鎳氫電池的儲能，卻能在幾秒或者幾分鐘內(nèi)放電完畢，有望取代電池。通過彎曲和卷曲石墨烯片，電解液可以更大比例的和石墨烯表面進行接觸，從而提高儲存電量。鎳氫電池和鋰離子電池分別為40-100Wh/kg和120Wh/kg。10μmNanoLett.2010,10,4863-–4868104.超薄平面石墨烯超級電容器傳統(tǒng)超級電容器中，碳材料相對于集流體無規(guī)取向，從而限制了電解液在石墨面內(nèi)的有效滲透。面內(nèi)設(shè)計增強了電解液與每一層碳的作用，從而充分利用了石墨烯較高的表面積?！妹繉邮┑谋砻鎭韮Υ婺芰?。NanoLett.2011,11,1423–1427多層還原氧化石墨烯采用層層自組裝（LBL）的方法。萊斯大學(xué)與韓國科學(xué)技術(shù)院的研究人員采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計來充分發(fā)揮石墨烯平面內(nèi)的導(dǎo)電性。11

日本物質(zhì)材料研究機構(gòu)（NIMS）通過在石墨烯中添加CNT來制作電極，在石墨烯中添加CNT之后，CNT會通過自組裝方式自然地進入石墨烯中。這制造了適當?shù)拈g隙，使電流及離子的密度增加。NIMS采用該電極與水性電解液制造EC時發(fā)現(xiàn)，電極單位重量的輸出功率密度為58.5kW/kg，單位重量的能量密度為62.8Wh/kg，“分別是采用活性炭電極時的10倍”（NIMS）。采用離子液體作為電解液時，能量密度進一步提高到了155.6Wh/kg。5.通過添加CNT實現(xiàn)高性能126.蘭州化物所超級電容器用石墨烯電極材料研究獲進展——基質(zhì)在中科院“百人計劃”和國家自然科學(xué)基金項目支持下，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實驗室低維材料與化學(xué)儲能課題組通過簡單的刷涂和熱處理技術(shù)制備了石墨烯/棉布柔性電極，并組裝成電容器，研究了其在水系和離子液體電解液中的電化學(xué)性能。結(jié)果表明，石墨烯/棉布柔性電極具有較高的比容量、功率密度、能量密度以及良好的穩(wěn)定性，是一種價格低廉、環(huán)境友好的電極材料。J.Mater.Chem.,2012,22,17245–1725313三、國內(nèi)外石墨烯生產(chǎn)現(xiàn)狀國外：XGSciences的x-GnP已經(jīng)被美國空軍研究院選作超高能量超級電容器的儲能系統(tǒng)。1415國內(nèi)：金路集團；中國寶安；中航三鑫。產(chǎn)品：氧化石墨烯和石墨烯微片。用途：鋰電和超級電容器的電極；導(dǎo)電添加劑；導(dǎo)熱薄膜；防腐涂料；增強劑。目前，他們已自行開發(fā)出扣式石墨烯超級電容器和卷繞式石墨烯超級電容器，并在設(shè)計中試生產(chǎn)線，預(yù)計明年9月可建成投產(chǎn)。上海交通大學(xué)的郭守武教授課題組0.5元/克16超級電容器儲能的優(yōu)勢：瞬時大功率快速充放電循環(huán)次數(shù)多（壽命長）使用溫度范圍寬四、應(yīng)用進展小功率?。?~50F中：90~360F大：600~5000F17小功率超級電容器的應(yīng)用：1、在有記憶儲存功能的電子產(chǎn)品中做后備電源，數(shù)據(jù)保護和備份，適用于帶CPU的智能家電、電表、稅控機、控制器、空調(diào)、錄音機、MP3、汽車音響、電話機、太陽能燈、實時時鐘等。2、用作小功率器件的電源，如：智能水表、燃氣表、消毒柜、電子門鎖、太陽能設(shè)備、數(shù)字機頂盒、玩具等。中型超級電容器的應(yīng)用：為工業(yè)應(yīng)用提供更持久的連接性和功能性，例如，風車音調(diào)控制系統(tǒng)、機器人、DVR(動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器)，室內(nèi)起重機。其他應(yīng)用包括電動工具和LED手電筒。大型超級電容器的應(yīng)用：重型動力應(yīng)用，如電車、軍事、和其他車輛。18目前的市場結(jié)構(gòu)狀況未來市場結(jié)構(gòu)狀況預(yù)測市場及前景19運輸1.混合電動車（以燃油發(fā)動機作為主要動力，以二次電源作為輔助動力）超級電容器的優(yōu)勢：1)

超級電容器能夠提供優(yōu)越的動力性能：超級電容器具有非常高的功率密度，因此能較好地滿足車輛在啟動、加速、爬坡時對瞬時大功率的要求。2)超級電容器具有非常高的能量回收率：超級電容器的快速充電及超高次數(shù)充放電循環(huán)特性，能夠有效回收車輛制動過程中的能量，從而在節(jié)能減排和環(huán)境保護中發(fā)揮作用。3)超級電容器能夠延長動力電池壽命：超級電容器與動力電池配合使用作為純電動車的能源時，可減少大電流充放電對電池的損害，從而延長電池的使用壽命。4)超級電容器能夠提高車輛的低溫運行能力，超級電容器工作范圍很寬，可以在-40～+70℃溫度范圍內(nèi)正常工作。20以超級電容器為脫線運行動力的變頻驅(qū)動空調(diào)無軌電車的實測結(jié)果如下：一次充電公交模式續(xù)行里程7.9km，平均車速22km/h，電容器輸出能量5kw。續(xù)行里程測試結(jié)束后進行充電測試，充足電時間為90s。0→40km/h加速時間為16.5s。最高車速為44.8km/h。7.8%坡道上駐坡后，順利通過爬坡。再生制動能量回收明顯。2.純電容電動汽車（上海11路公交車-奧威科技）61輛公交車，在上海世博會運行172天時間里運送旅客4000多萬人次。21法國bollore和法國電力公司合作得到的BatScapBluecar-brochure-en，該車于2012年日內(nèi)瓦車展“綠色展覽館”上展出。BlueCar采用Batscap的LMP電池與超大電容器可以實現(xiàn)超過250公里的續(xù)航里程，極速可以達到130km/h，加速可達到60km/h需要6.3s。3.超級電容和鋰動力電池混合動力技術(shù)上海825路、上海老牌公交電車線20路、國家電網(wǎng)公司贈送給山東的十輛奧運會用電動汽車及電力工程用車都采用此混合動力總成技術(shù)。224.超級電容與燃料電池組合而成的客車混合動力系統(tǒng)日本本田公司“FCX”燃料電池車安裝了高效超電容器模組，并分別于2002年7月和2002年11月獲得了美國和日本政府的銷售許可，成為世界上第一款取得美國政府銷售許可的燃料電池車。5.與蓄電池聯(lián)用（車輛低溫啟動，電叉車）2007年底，日本小松叉車推出采用超級電容器與蓄電池混合動力技術(shù)的電動叉車。6.超級電容在軌道車輛能量回收中的應(yīng)用為了節(jié)約主能源同時克服能量儲運耗損，在歐洲、美國和中國的一些城市運輸權(quán)威正在安裝由西門子TS工程師開發(fā)的Sitras?SES新一代能量存儲系統(tǒng)。北京地鐵5號線采用了4套德國西門子公司Sitras?SES電容儲能式再生電能吸收裝置，目前已經(jīng)投入運營。這是國內(nèi)首批采用電容吸收方式的系統(tǒng)。23戰(zhàn)車混合電傳動系統(tǒng)激光武器艦用電磁炮坦克低溫啟動太陽能風能海洋能新能源軍事應(yīng)用24風力發(fā)電兆瓦級風力發(fā)電機組多采用直驅(qū)式風力發(fā)電機組，直驅(qū)型風力發(fā)電機組為變槳距調(diào)節(jié)型風機，在槳距調(diào)節(jié)過程中，需要儲能系統(tǒng)為變槳系統(tǒng)提供動力。目前主要的儲能系統(tǒng)有蓄電池和超級電容器兩種方案。在使用過程中，逐漸發(fā)現(xiàn)蓄電池有一些難以克服的缺點：蓄電池的充放電特性不好，充電時間長，充電、放電電流不能太大；蓄電池需要維護，而變槳系統(tǒng)安裝在100米高的風機上，維護成本太大；蓄電池的低溫特性不好，在寒冷季節(jié)容量會衰減；蓄電池的循環(huán)壽命短，可靠性不強。

超級電容器的特點突出：高效率、大電流放電、寬電壓范圍、寬溫度范圍、狀態(tài)易監(jiān)控、長循環(huán)壽命、長工作壽命、免維護、環(huán)保。因此它極為適合在風力發(fā)電機組這樣的工況環(huán)境中工作。風力發(fā)電變槳用超級電容器儲能系統(tǒng)主要為了使葉輪對電機的驅(qū)動功率能夠滿足電機的所能承受的狀態(tài)，在不同的風速條件下設(shè)定其合適的變槳角度，以滿足發(fā)電機所處的工作狀態(tài)在最優(yōu)狀態(tài)。風力發(fā)電變槳用超級電容器儲能電源的基本工作原理為：平時，由風機產(chǎn)生的電能輸入充電機，充電機為超級電容器儲能電源充電，直至超級電容器儲能電源達到額定電壓。當需要為風力發(fā)電機組變槳時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，超級電容器儲能系統(tǒng)放電，驅(qū)動變槳系統(tǒng)工作。國外風機廠家為了保證整個風機的可靠性，都陸續(xù)使用超級電容器作為解決方案。國內(nèi)風機廠家風力發(fā)電變槳儲能系統(tǒng)上有的使用蓄電池方案，有的在使用引進的國外成套變槳系統(tǒng)方案包含有國外超級電容器儲能電源。25五、結(jié)論1.石墨烯超級電容器電極材料設(shè)計——電極材料有較大的比表面積，且