超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展課件

1超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展

與應(yīng)用

2015.11.13南通楊裕生1超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展

與應(yīng)用2015.11.13南2超級(jí)電容器的主要不足是比能量不高，而電池的主要問(wèn)題是要提高比功率和延長(zhǎng)循環(huán)壽命，二者并聯(lián)使用在一定程度上可以互補(bǔ)而得較好的效果。一、電池與超級(jí)電容器的融合外并——電池與超級(jí)電容器并聯(lián)使用并聯(lián)電源的比功率和壽命比電池提高電路復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴、使用不便電池控制器充電器充電器電容器2超級(jí)電容器的主要不足是比能量不高，而電池的主3

近些年，超級(jí)電容器和電池進(jìn)行內(nèi)部“融合”，即超級(jí)電容器里加入電池的電極材料，也在電池中添加活性炭。

電池中增加電容器功能，提高比功率和壽命超級(jí)電容器中融合電池材料，比能量有所提高優(yōu)越性：省去并聯(lián)線路；自動(dòng)調(diào)整電壓簡(jiǎn)化管理系統(tǒng)；加快電池充電電容器與電池的“外并”改“內(nèi)并”3近些年，超級(jí)電容器和電池進(jìn)行內(nèi)部“融合”，4隨著研究的進(jìn)展，衍生出許多不同的組合方式，取了許多新名稱，雖然大多數(shù)的組合方式與名稱相符，但也有個(gè)別是有意無(wú)意的名不符實(shí)。

應(yīng)該整理一下首先劃分“電池的變種”與“電容器的變種”，然后再行細(xì)分，并研究機(jī)理。4隨著研究的進(jìn)展，衍生出許多不同的組合方式，取5超級(jí)電容器兩個(gè)電極均以雙電層原理蓄電的儲(chǔ)能器件超級(jí)電容器主要用活性炭（大比表面的炭）作為活性物質(zhì)超級(jí)電容器的電解液水溶液體系：酸、堿、中性有機(jī)溶液體系——電壓高超級(jí)電容器及其變種超級(jí)電容器的比能量低活性炭活性炭隔膜5超級(jí)電容器兩個(gè)電極均以雙電層原理蓄電的儲(chǔ)能器件超級(jí)電容器主61、混合型超級(jí)電容器

簡(jiǎn)稱混合電容器一個(gè)電極以雙電層原理蓄電、另一個(gè)為電池電極的儲(chǔ)能器件例1：正極PbO2,負(fù)極活性炭例2: 正極NiOOH,負(fù)極活性炭水溶液電解質(zhì)advancedlead-acidbatteries（美國(guó)？）活性炭+—活性炭氧化鉛+—活性炭氧化鎳61、混合型超級(jí)電容器

簡(jiǎn)稱混合電容器一個(gè)電極以雙電層原理蓄7比功率、比能量、充-放電壽命介于電池與超級(jí)電容器之間，接近超級(jí)電容器例3: 正極活性炭,負(fù)極Li4Ti5O12有機(jī)溶液電解質(zhì)1、混合型超級(jí)電容器（續(xù)）

簡(jiǎn)稱混合電容器+—活性炭鈦酸鋰混合（不對(duì)稱）電容器兼收兩者的優(yōu)點(diǎn)也繼承了兩者的缺點(diǎn)——兩者的折衷例4: 正極活性炭,負(fù)極能嵌鋰的碳(江海)7比功率、比能量、充-放電壽命介于例3: 正極活性炭,負(fù)極L82、混合型電池電容器混合型超級(jí)電容器的活性炭正極中混入鋰離子電池正極材料①國(guó)外報(bào)道②成都有機(jī)所

A.D.Pasquieret.alJPowerSources136(2004)160正極：活性炭電極60-45%

加15-30%LiMn2O4負(fù)極：Li4Ti5O12

XueboHuet.alJPowerSources187(2009)635

4C恒電流下：14.47Wh/kg，5000次衰減<8%

正極：活性炭電極

加少部分

LiCoO2

負(fù)極：Li4Ti5O12——活性炭仍為主+—活性炭+鋰鹽鈦酸鋰82、混合型電池電容器混合型超級(jí)電容器的活性炭正極中①國(guó)外報(bào)9電池中的電極與活性炭電極并聯(lián)電池添加活性炭的變種電池的電極中混入少部分活性炭

——電容型電池

9電池中的電極與活性炭電極并聯(lián)電池添加活性炭的變種電池的電極101、超級(jí)電池——鉛酸電池鉛負(fù)極并聯(lián)炭電極鉛酸電池混合電容器超級(jí)電池UltraBatteryL.T.Lam&R.LoueyJPowerSources158(2006)1140PbO2活性炭Pb—++PbO2Pb—PbO2AC+—101、超級(jí)電池——鉛酸電池鉛負(fù)極并聯(lián)炭電極鉛酸電池混合電容112、電池的電極中混入活性炭

——電容型電池

將活性炭混入鉛酸電池負(fù)極活性炭混入鋰離子電池正極

（江蘇常州，遼寧朝陽(yáng)，2011年6月）活性炭混入鎳氫電池負(fù)極（天津國(guó)泰之光研究院，2011年9月）混入活性炭的效果：

(+)比功率提高循環(huán)性改善

(--)比能量減低——活性炭占了電極部分位置可能增加電極析氣量和調(diào)漿、涂佈難度112、電池的電極中混入活性炭

——電容型電池將活性炭混入122.1電容型鉛酸電池

——“鉛炭電池”

炭加到入鉛酸電池的負(fù)極中鉛酸電池混合電容器鉛炭電池較超級(jí)電池工藝簡(jiǎn)單PbO2AC+—PbO2Pb+—PbO2Pb+AC+—122.1電容型鉛酸電池——“鉛炭電池”

炭加到入鉛132.2電容型鋰離子電池①常州華日升凱晟能源科技有限公司

2011年6月會(huì)議，7月技術(shù)論證咨詢會(huì)

“高功率、高能量和高安全性

磷酸鐵鋰鋰離子動(dòng)力電容電池

”②朝陽(yáng)立塬新能源有限公司

2011年6月會(huì)議，2012年1月成果鑒定會(huì)正極：LiFePO4–加活性炭

；負(fù)極：碳鋰離子電池正極中加入活性炭——活性炭為輔正極：LiFePO4–加活性炭；負(fù)極：碳功率型：

78Wh/kg，

3000次衰減至65.8Wh/kg（84%）

2243W/kg；—20℃下，71.2Wh/kg；能量型：117Wh/kg，500次容量保持97.0%1740W/kg；—20℃下，94.2Wh/kg

+—磷酸鐵鋰+AC石墨132.2電容型鋰離子電池①常州華日升凱晟能源科14“鎳碳超級(jí)電容器”科技日?qǐng)?bào)2010年9月報(bào)道鎳氫電池的負(fù)極中加入活性炭活性炭在負(fù)極中占30%儲(chǔ)氫合金占主導(dǎo)地位鎳氫電池的基本結(jié)構(gòu)未變電池負(fù)極中的活性炭占小頭——活性炭為輔2.3電容型鎳氫電池上述的名稱都較長(zhǎng)，是為了準(zhǔn)確、全面地反映蓄電器件的實(shí)質(zhì)。當(dāng)然，應(yīng)該允許有簡(jiǎn)稱，但是無(wú)論如何簡(jiǎn)化，是“電池”還是“電容器”必須正確地表達(dá)清楚，不要混淆。+—氧化鎳儲(chǔ)氫合金+AC14“鎳碳超級(jí)電容器”科技日?qǐng)?bào)2010年9月報(bào)道鎳氫電池的負(fù)15小結(jié)：超級(jí)電容器與電池的變種分類、名稱電極材料舉例負(fù)極正極超級(jí)電容器及變種超級(jí)電容器活性炭活性炭混合型超級(jí)電容器活性炭氧化鉛、鎳鈦酸鋰；碳活性炭混合型電池電容器鈦酸鋰活性炭+鋰鹽電池添加活性炭的變種電池電極與活性炭電極并聯(lián)=超級(jí)電池活性炭電極并聯(lián)鉛電極PbO2鉛酸-電池的電極中加入部分活性炭——電容型電池鉛+活性炭PbO2鋰離子石墨鋰鹽+活性炭鎳氫-AB5+活性炭NiO15小結(jié)：超級(jí)電容器與電池的變種分類、名稱電極材料舉例負(fù)極正16根據(jù)市場(chǎng)的需要，在盡量保持長(zhǎng)壽命和高功率的同時(shí),努力提高提高比能量二、超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向提高電極的比電容—新型高比容量碳材料

1、提高比能量石墨烯作電極導(dǎo)電添加劑多孔石墨烯、立體石墨烯——主材料價(jià)格？16根據(jù)市場(chǎng)的需要，在盡量保持長(zhǎng)壽命和高功率的同時(shí),努力提高多孔電容炭材料性能要求1、高比表面>1000m2/g2、高中孔率--合理的孔結(jié)構(gòu)3、高電導(dǎo)率4、高的堆積比重5、高純度--灰份<0.1%6、高性價(jià)比7、對(duì)電解液具有良好的浸潤(rùn)性8、析氣少各指標(biāo)間相互矛盾高性能、低成本電容炭多孔電容炭材料性能要求1、高比表面>1000m2/電容炭主要靠進(jìn)口防化研究院中試連續(xù)性生產(chǎn)線BTR公司工程化生產(chǎn)線6月通過(guò)鑒定電容炭主要靠進(jìn)口防化研究院中試連續(xù)性生產(chǎn)線BTR公司工程化生SBP-BF4提高電解液的分解電壓

減小電解質(zhì)離子半徑→3.0V，比能量↑23%BF4NBF4N四氟硼酸四乙銨四氟硼酸螺環(huán)季銨4個(gè)乙基兩兩成環(huán)提高穩(wěn)定性減小體積問(wèn)題：正極的穩(wěn)定壽命SBP-BF4提高電解液的分解電壓BF4NBF4N四氟硼酸四3、增長(zhǎng)壽命減少炭材料的雜質(zhì)和水分，調(diào)節(jié)官能團(tuán)2、提高比功率鋁箔預(yù)先涂覆導(dǎo)電炭層，增強(qiáng)活性層與鋁箔的電接觸，降低電極內(nèi)阻4、環(huán)保化開發(fā)高安全性、高性能超級(jí)電容器研究無(wú)毒的溶劑，替代乙腈長(zhǎng)壽命和高功率是雙電層超級(jí)電容器的兩大優(yōu)勢(shì)不宜過(guò)分追求高比能量而犧牲它們3、增長(zhǎng)壽命減少炭材料的雜質(zhì)和水分，調(diào)節(jié)官能團(tuán)2、提高比功率1、超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用混合動(dòng)力汽車汽車啟停系統(tǒng)燃料電池汽車城市軌道交通純電動(dòng)汽車與其他能量部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池、燃料電池）并聯(lián)工作：提供車輛啟動(dòng)需求的高功率承受制動(dòng)能量全回饋的高功率沖擊承受大電流快速充電的高功率沖擊如果是內(nèi)燃機(jī)——可減小其設(shè)計(jì)功率，減輕重量，節(jié)省油料，降低污染；如是燃料電池——適應(yīng)路況需求各種蓄電池——延長(zhǎng)電池壽命，節(jié)省電能效果三、超級(jí)電容器的應(yīng)用1、超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用混合動(dòng)力汽車與其他能量部件（新能源汽車單獨(dú)應(yīng)用超級(jí)電容器“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車示范工程以混合動(dòng)力為主能源構(gòu)成比例主要采用廠家

油+超級(jí)電容67%南車時(shí)代、宇通客車、海格客車油+超級(jí)電容+鋰電池7%金旅客車、中通客車、大金龍

油+鋰電池21%北汽福田、五洲龍鋰電池純電動(dòng)5%比亞迪、眾泰等(深圳市今朝時(shí)代公司2012年提供)南車2011年生產(chǎn)了1000輛超級(jí)電容器混合動(dòng)力客車C/C有機(jī)體系超級(jí)電容器，是回收剎車能量的首選。適合在混合電動(dòng)車使用，節(jié)油率15%-20%新能源汽車單獨(dú)應(yīng)用超級(jí)電容器“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車示范1、以鉛酸電池+電容器為電源（北京科凌）增程式電動(dòng)公交車從北京開到揚(yáng)州兩天1100公里中途充電一次百公里油耗19L(均速50km/h下)2、以鎳-炭混合電容器為電源（青年-巨容）（還有以鋰離子電池為電源）1、以鉛酸電池+電容器為電源（北京科凌）增程式電動(dòng)公交車從北城市公共交通城市無(wú)軌電車——上海奧威鎳碳混合電容器城市軌道交通——寧波南車炭炭超級(jí)電容器快速充電電源——寧波南車炭炭超級(jí)電容器

避免對(duì)電網(wǎng)的沖擊問(wèn)題：車價(jià)昂貴；充電站多城市公共交通城市無(wú)軌電車——上海奧威鎳碳混合電容器問(wèn)題：車價(jià)只有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)故屬純電驅(qū)動(dòng)行駛前電池組充電

途中小功率發(fā)電機(jī)

在最佳工況下發(fā)電

——節(jié)能發(fā)電機(jī)與電源組并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也給電源充電50公里內(nèi)不用油；長(zhǎng)途仍需用油但可省油一半以上電源組電機(jī)變速箱充電器220V純電動(dòng)車發(fā)電機(jī)油箱內(nèi)燃機(jī)純電動(dòng)汽車增程高功率電池或儲(chǔ)能電池+超電容提供\回收電能增程式電動(dòng)