超級(jí)電容炭及其在鉛炭超級(jí)電池中的應(yīng)用12屆鉛酸電池會(huì)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(huì)超級(jí)電容炭及其在鉛炭超級(jí)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(huì) 提 綱n背景n一、 超級(jí)電容器簡介n二、 超級(jí)電容炭的制備n三、 鉛炭超級(jí)電池原理n四、 鉛炭超級(jí)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(huì)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(huì)發(fā)展瓶頸發(fā)展瓶頸n電動(dòng)汽車發(fā)展瓶頸：動(dòng)力電池n風(fēng)光發(fā)電發(fā)展瓶頸：儲(chǔ)能電池2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)我國電動(dòng)汽車路線圖我國電動(dòng)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(dòng)汽車、發(fā)展增程式電動(dòng)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(dòng)汽車2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)微混電動(dòng)汽車采用不同儲(chǔ)電體系的成本和重量比較微混電動(dòng)汽車采用不同儲(chǔ)電體系的成本和重量比較 儲(chǔ)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(jí)電容器/鉛酸電池701070UltraBattery55220注：表中數(shù)據(jù)引自2006年文獻(xiàn)，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(huì)一、

3、超級(jí)電容器簡介一、超級(jí)電容器簡介2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)超級(jí)電容器的特點(diǎn)超級(jí)電容器的特點(diǎn)n超級(jí)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(chǔ)能器件，其具有如下特點(diǎn)：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(huì)傳統(tǒng)電容器傳統(tǒng)電容器超級(jí)電容器超級(jí)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(chǔ)電荷，界面存儲(chǔ)電荷，10F/cm2超級(jí)電容器與傳統(tǒng)電容器對比超級(jí)電容器與傳統(tǒng)電容

4、器對比通過介質(zhì)極化存儲(chǔ)電荷，通過介質(zhì)極化存儲(chǔ)電荷，儲(chǔ)電密度儲(chǔ)電密度10-6F/cm22021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)超級(jí)電容器超級(jí)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(chǔ)電器件二維儲(chǔ)電器件超級(jí)電容器與電池對比超級(jí)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(chǔ)電器件三維儲(chǔ)電器件2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)儲(chǔ)電器件性能對比儲(chǔ)電器件性能對比 性能指標(biāo) 傳統(tǒng)電容器 超級(jí)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(huì)超級(jí)電容器的原理超級(jí)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(huì)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(huì)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(huì)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)超級(jí)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(huì)小型超級(jí)電容器剖面圖超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)超級(jí)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(huì)超級(jí)電容器元件超級(jí)電容器元件2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)超級(jí)電容器性能對比超級(jí)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(huì)超級(jí)電容器的應(yīng)用超級(jí)電容器的應(yīng)用電動(dòng)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(huì)超級(jí)電容器與電池復(fù)合超級(jí)電容器與電池復(fù)合 n外在復(fù)合: 各自獨(dú)立做成器件，超級(jí)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(chǔ)電原理復(fù)合，不需附加控制電路 鉛酸電池/超級(jí)電容器（鉛炭超級(jí)電池）; 鎳氫電池/超級(jí)電容器（鎳炭超級(jí)電池）; 鋰離子電池/超級(jí)電容器（鋰炭超級(jí)電池） 今后許多儲(chǔ)電器件既是一

7、個(gè)電池,又是一個(gè)超級(jí)電容器！2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)為何鉛炭超級(jí)電池備受重視為何鉛炭超級(jí)電池備受重視 n鉛炭超級(jí)電池中鉛與炭剛好互相取長補(bǔ)短，如鉛密度大、炭則密度小；與鉛酸電池相比，鉛炭超級(jí)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(jì)劃將鉛炭超級(jí)電池作為其重點(diǎn)支持的兩種電池之一； n鎳炭超級(jí)電池，電容炭的復(fù)合，性能提升不明顯；n鋰炭超級(jí)電池，電容炭的復(fù)合，會(huì)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(huì)超級(jí)電容器常用電極材料超級(jí)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(huì)二、超級(jí)電容炭的制備二、超級(jí)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(huì)超級(jí)電容炭制備流程圖超級(jí)電容炭制備流程圖 超級(jí)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(huì)堿活化制備超級(jí)電

9、容炭的機(jī)理堿活化制備超級(jí)電容炭的機(jī)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(huì)超級(jí)電容炭工藝超級(jí)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(shí)密度振實(shí)密度) 電容炭結(jié)構(gòu)電容炭結(jié)構(gòu)(表面官能團(tuán)、表面官能團(tuán)、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(huì)超級(jí)電容炭的電化學(xué)性能超級(jí)電容炭的電化學(xué)性能 超級(jí)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(shí)間 (h)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)超級(jí)電容炭循環(huán)穩(wěn)定性超級(jí)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(huì)超級(jí)電容炭充放電曲線超級(jí)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(shí)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(huì)超級(jí)電容炭的循環(huán)伏安曲線超級(jí)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(huì)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(shí)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(huì)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(huì)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(shí)，熱流從物料外部由表及里進(jìn)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(shí)密度低。 而微波加熱時(shí)，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(shí)物料表層與心部同時(shí)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(shí)密度高。2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)鉛炭超級(jí)電池

13、原理圖鉛炭超級(jí)電池原理圖2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)鉛炭超級(jí)電池結(jié)構(gòu)圖鉛炭超級(jí)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(huì)鉛炭超級(jí)電池樣品鉛炭超級(jí)電池樣品2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì) （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(jià)格低廉 1KWh（HEV輔助動(dòng)力）： Ni-MH $2000 （近期價(jià)格） Li-ion $1000 （預(yù)期價(jià)格） Pb-C $250 （近期價(jià)格）鉛炭超級(jí)電池優(yōu)勢鉛炭超級(jí)電池優(yōu)勢2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)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(huì)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)2021-9-23第12屆全國鉛酸蓄電池學(xué)術(shù)年會(huì)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(huì) 小小 結(jié)結(jié)n與常規(guī)鉛酸電池相比，鉛炭超級(jí)電池性能提升已初見成效；n鉛炭超級(jí)電