超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展

1、1超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用與應(yīng)用楊裕生楊裕生2 超級(jí)電容器的主要不足是比能量不高，而電池超級(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。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)電容器的融合一、電池與超級(jí)電容器的融合并聯(lián)電源的比功率和壽命并聯(lián)電源的比功率和壽命 比電池提高比電池提高電路復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴、使用不便電路復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴、使用不便電池電池控制控制器器充電器充電器充電器充電器電容器電容器3 近些年，超級(jí)電容器和

2、電池進(jìn)行內(nèi)部近些年，超級(jí)電容器和電池進(jìn)行內(nèi)部“融合融合”，即超級(jí)電容器里加入電池的電極，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。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)電容器中超級(jí)電容器中比能量有所提高比能量有所提高優(yōu)越性：省去并聯(lián)線(xiàn)路；自動(dòng)調(diào)整電壓優(yōu)越性：省去并聯(lián)線(xiàn)路；自動(dòng)調(diào)整電壓 簡(jiǎn)化管理系統(tǒng)；加快電池充電簡(jiǎn)化管理系統(tǒng)；加快電池充電4 隨著研究的進(jìn)展，衍生出許多不同的組隨著研究的進(jìn)展，衍生出許多不同的組合方式，取了許多新名稱(chēng)，雖然大多數(shù)的組合方式，取了許多新名稱(chēng)，雖然大多數(shù)的組合方式與名稱(chēng)相符，但也有個(gè)別

3、是有意無(wú)意合方式與名稱(chēng)相符，但也有個(gè)別是有意無(wú)意的名不符實(shí)。的名不符實(shí)。 應(yīng)該整理一下應(yīng)該整理一下 首先劃分首先劃分“電池的變種電池的變種”與與“電容器的電容器的變種變種”，然后再行細(xì)分，并研究機(jī)理。，然后再行細(xì)分，并研究機(jī)理。5超級(jí)電容器超級(jí)電容器兩個(gè)電極均以?xún)蓚€(gè)電極均以雙電層原理雙電層原理蓄電蓄電的儲(chǔ)能器件的儲(chǔ)能器件超級(jí)電容器主要用活性炭（大超級(jí)電容器主要用活性炭（大比表面的炭）作為活性物質(zhì)比表面的炭）作為活性物質(zhì)超級(jí)電容器的電解液超級(jí)電容器的電解液水溶液體系：酸、堿、中性水溶液體系：酸、堿、中性 有機(jī)溶液體系有機(jī)溶液體系電壓高電壓高超級(jí)電容器及其變種超級(jí)電容器及其變種超級(jí)電容器的比能量低

4、超級(jí)電容器的比能量低活活性性炭炭活活性性炭炭隔隔膜膜6一個(gè)電極以雙電層原理蓄電、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)能器件另一個(gè)為電池電極的儲(chǔ)能器件例例1：正極：正極PbO2,負(fù)極活性炭負(fù)極活性炭例例2: 正極正極NiOOH,負(fù)極活性炭負(fù)極活性炭水溶液電解質(zhì)水溶液電解質(zhì)advanced lead-acid batteries（美國(guó)？）（美國(guó)？）活活性性炭炭活活性性炭炭氧氧化化鉛鉛活活性性炭炭氧氧化化鎳鎳7比功率、比能量、充比功率、比能量、充-放電壽命放電壽命介于介于電池與超級(jí)電容器之間，接近超級(jí)電容器電池與超級(jí)電容器之間，接近超級(jí)電容器例例3: 正極活性炭正極活性炭,負(fù)極負(fù)極Li4T

5、i5O12有機(jī)溶液電解質(zhì)有機(jī)溶液電解質(zhì)活活性性炭炭鈦鈦酸酸鋰鋰混合（不對(duì)稱(chēng)）電容器兼收兩者的優(yōu)點(diǎn)混合（不對(duì)稱(chēng)）電容器兼收兩者的優(yōu)點(diǎn) 也繼承了兩者的缺點(diǎn)也繼承了兩者的缺點(diǎn)兩者的折衷?xún)烧叩恼壑岳?: 正極活性炭正極活性炭,負(fù)極能嵌鋰的碳負(fù)極能嵌鋰的碳(江海江海)8混合型混合型超級(jí)電容器超級(jí)電容器的的A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160Xuebo Hu et.al J PowerSources187(2009)635活性炭活性炭+鋰鹽鋰鹽鈦鈦酸酸鋰鋰9電池添加活性炭的變種電池添加活性炭的變種10鉛酸電池鉛酸電池混合電容器混合電容器超級(jí)電池超級(jí)

6、電池UltraBatteryL.T.Lam & R.LoueyJ Power Sources158(2006)1140 PbO2活活性性炭炭Pb PbO2Pb PbO2AC1112鉛酸電池鉛酸電池混合電容器混合電容器鉛炭電池鉛炭電池較超級(jí)電池較超級(jí)電池工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)單 PbO2AC PbO2Pb PbO2Pb+AC13 磷酸磷酸鐵鋰鐵鋰+AC石石墨墨14氧氧化化鎳鎳儲(chǔ)氫儲(chǔ)氫合金合金+ +ACAC15分類(lèi)、名稱(chēng)分類(lèi)、名稱(chēng)電極材料舉例電極材料舉例負(fù)極負(fù)極正極正極超級(jí)超級(jí)電容電容器及器及變種變種超級(jí)電容器超級(jí)電容器活性炭活性炭活性炭活性炭混合型超級(jí)電容器混合型超級(jí)電容器活性炭活性炭氧化鉛、鎳

7、氧化鉛、鎳鈦酸鋰；碳鈦酸鋰；碳活性炭活性炭混合型電池電容器混合型電池電容器鈦酸鋰鈦酸鋰活性活性炭炭+ +電池電池添加添加活性活性炭的炭的變種變種PbO2PbO2+ +活性活性NiO16 根據(jù)市場(chǎng)的需要，在盡量保持長(zhǎng)壽命和高功率的根據(jù)市場(chǎng)的需要，在盡量保持長(zhǎng)壽命和高功率的同時(shí)同時(shí),努力提高提高比能量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提高電極的比電容 新型高比容量碳材料新型高比容量碳材料 石墨烯作電極導(dǎo)電添加劑石墨烯作電極導(dǎo)電添加劑多孔石墨烯、立體石墨烯多孔石墨烯、立體石墨烯主材料主材料價(jià)格？?jī)r(jià)格？多孔電容炭材料性能要求多孔電容炭材料性能要求

8、1 1、比表面比表面 1000m 1000m2 2/g/g2 2、中孔率中孔率-合理的孔結(jié)構(gòu)合理的孔結(jié)構(gòu)3 3、電導(dǎo)率電導(dǎo)率4 4、的堆積比重的堆積比重5 5、純度純度-灰份灰份 0.1% 0.1%6 6、性?xún)r(jià)比性?xún)r(jià)比7 7、對(duì)電解液具有良好的浸潤(rùn)性、對(duì)電解液具有良好的浸潤(rùn)性8 8、析氣少析氣少各指各指標(biāo)間標(biāo)間相互相互矛盾矛盾高性能、低成本電容炭高性能、低成本電容炭電容炭主要靠進(jìn)口電容炭主要靠進(jìn)口防化研究院中試連續(xù)性生產(chǎn)線(xiàn)防化研究院中試連續(xù)性生產(chǎn)線(xiàn)BTR公司工程化生產(chǎn)線(xiàn)公司工程化生產(chǎn)線(xiàn)6 6月通過(guò)鑒定月通過(guò)鑒定SBP-BFSBP-BF4 4提高電解液的分解電壓提高電解液的分解電壓 減小電解質(zhì)離

9、子半徑3.0V3.0V，比能量，比能量23%23%B F4N NB F4N N四氟硼酸四乙銨四氟硼酸四乙銨四氟硼酸螺環(huán)季銨四氟硼酸螺環(huán)季銨4個(gè)乙基兩兩成環(huán)個(gè)乙基兩兩成環(huán)提高穩(wěn)定性提高穩(wěn)定性減小體積減小體積問(wèn)題：正極的穩(wěn)定壽命問(wèn)題：正極的穩(wěn)定壽命減少炭材料的雜質(zhì)和水分，調(diào)節(jié)官能團(tuán)減少炭材料的雜質(zhì)和水分，調(diào)節(jié)官能團(tuán)鋁箔預(yù)先涂覆導(dǎo)電炭層，增強(qiáng)活性層與鋁箔的電鋁箔預(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)阻接觸，降低電極內(nèi)阻開(kāi)發(fā)高安全性、高性能超級(jí)電容器開(kāi)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)長(zhǎng)壽命和高功率是雙

10、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不宜過(guò)分追求高比能量而犧牲它們1、超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用、超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用混合動(dòng)力汽車(chē)混合動(dòng)力汽車(chē)汽車(chē)啟停系統(tǒng)汽車(chē)啟停系統(tǒng)燃料電池汽車(chē)燃料電池汽車(chē)城市軌道交通城市軌道交通純電動(dòng)汽車(chē)純電動(dòng)汽車(chē)與其他能量部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄與其他能量部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池、燃料電池）并聯(lián)工作電池、燃料電池）并聯(lián)工作：提供車(chē)輛啟動(dòng)需求的高功率提供車(chē)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承受大電流快速充電的高功率沖擊如果是內(nèi)燃機(jī)如果是內(nèi)燃機(jī)可減小其設(shè)計(jì)功率，減輕可減小其設(shè)計(jì)功率，減輕

11、重量，節(jié)省油料，降低污染；重量，節(jié)省油料，降低污染；如是燃料電池如是燃料電池適應(yīng)路況需求適應(yīng)路況需求各種蓄電池各種蓄電池延長(zhǎng)電池壽命，節(jié)省電能延長(zhǎng)電池壽命，節(jié)省電能 三、超級(jí)電容器的應(yīng)用三、超級(jí)電容器的應(yīng)用新能源汽車(chē)單獨(dú)應(yīng)用超級(jí)電容器新能源汽車(chē)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(chē)示范工程以混合動(dòng)力為主能源構(gòu)成能源構(gòu)成比例比例主要采用廠家主要采用廠家 油油+ +超級(jí)電容超級(jí)電容67%67%南車(chē)時(shí)代、宇通客車(chē)、海格客車(chē)南車(chē)時(shí)代、宇通客車(chē)、海格客車(chē)油油+ +超級(jí)電容超級(jí)電容+ +鋰電池鋰電池7%7%金旅客車(chē)、中通客車(chē)、大金龍金旅客車(chē)、中通客車(chē)、大金龍 油油+ +鋰電池鋰電池21%北汽福田、

12、五洲龍北汽福田、五洲龍鋰電池純電動(dòng)鋰電池純電動(dòng)5%比亞迪、眾泰等比亞迪、眾泰等(深圳市今朝時(shí)代公司2012年提供)南車(chē)南車(chē)2011年生產(chǎn)了年生產(chǎn)了1000輛超級(jí)電容器混合動(dòng)力客車(chē)輛超級(jí)電容器混合動(dòng)力客車(chē)C/CC/C有機(jī)體系超級(jí)電容器，是回收剎車(chē)能量的首選。有機(jī)體系超級(jí)電容器，是回收剎車(chē)能量的首選。在混合電動(dòng)車(chē)使用，節(jié)油率在混合電動(dòng)車(chē)使用，節(jié)油率15%-20%15%-20%城市公共交通城市公共交通城市無(wú)軌電車(chē)城市無(wú)軌電車(chē)上海奧威鎳碳混合電容器上海奧威鎳碳混合電容器城市軌道交通城市軌道交通寧波南車(chē)炭炭超級(jí)電容器寧波南車(chē)炭炭超級(jí)電容器快速充電電源快速充電電源寧波南車(chē)炭炭超級(jí)電容器寧波南車(chē)炭炭超級(jí)電容器 避免對(duì)電網(wǎng)的沖擊避免對(duì)電網(wǎng)的沖擊問(wèn)題：車(chē)價(jià)昂貴；充電站多問(wèn)題：車(chē)價(jià)昂貴；充電站多變變速速箱箱220V純電動(dòng)車(chē)純電動(dòng)車(chē)純電動(dòng)汽車(chē)