超級電容器的技術(shù)發(fā)展

1、1超級電容器的技術(shù)發(fā)展超級電容器的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用與應(yīng)用楊裕生楊裕生2 超級電容器的主要不足是比能量不高，而電池超級電容器的主要不足是比能量不高，而電池的主要問題是要提高比功率和延長循環(huán)壽命，二者的主要問題是要提高比功率和延長循環(huán)壽命，二者并聯(lián)使用在一定程度上可以互補而得較好的效果。并聯(lián)使用在一定程度上可以互補而得較好的效果。一、電池與超級電容器的融合一、電池與超級電容器的融合并聯(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、價格昂貴、使用不便電路復(fù)雜、體積龐大、價格昂貴、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，超級電容器和

2、電池進行內(nèi)部近些年，超級電容器和電池進行內(nèi)部“融合融合”，即超級電容器里加入電池的電極，即超級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電容器中超級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)線路；自動調(diào)整電壓優(yōu)越性：省去并聯(lián)線路；自動調(diào)整電壓 簡化管理系統(tǒng)；加快電池充電簡化管理系統(tǒng)；加快電池充電4 隨著研究的進展，衍生出許多不同的組隨著研究的進展，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，取了許多新名稱，雖然大多數(shù)的組合方式與名稱相符，但也有個別

3、是有意無意合方式與名稱相符，但也有個別是有意無意的名不符實。的名不符實。 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”，然后再行細分，并研究機理。，然后再行細分，并研究機理。5超級電容器超級電容器兩個電極均以兩個電極均以雙電層原理雙電層原理蓄電蓄電的儲能器件的儲能器件超級電容器主要用活性炭（大超級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)超級電容器的電解液超級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 有機溶液體系有機溶液體系電壓高電壓高超級電容器及其變種超級電容器及其變種超級電容器的比能量低

4、超級電容器的比能量低活活性性炭炭活活性性炭炭隔隔膜膜6一個電極以雙電層原理蓄電、一個電極以雙電層原理蓄電、另一個為電池電極的儲能器件另一個為電池電極的儲能器件例例1：正極：正極PbO2,負極活性炭負極活性炭例例2: 正極正極NiOOH,負極活性炭負極活性炭水溶液電解質(zhì)水溶液電解質(zhì)advanced lead-acid batteries（美國？）（美國？）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電容器之間，接近超級電容器電池與超級電容器之間，接近超級電容器例例3: 正極活性炭正極活性炭,負極負極Li4T

5、i5O12有機溶液電解質(zhì)有機溶液電解質(zhì)活活性性炭炭鈦鈦酸酸鋰鋰混合（不對稱）電容器兼收兩者的優(yōu)點混合（不對稱）電容器兼收兩者的優(yōu)點 也繼承了兩者的缺點也繼承了兩者的缺點兩者的折衷兩者的折衷例例4: 正極活性炭正極活性炭,負極能嵌鋰的碳負極能嵌鋰的碳(江海江海)8混合型混合型超級電容器超級電容器的的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電池超級

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電池較超級電池工藝簡單工藝簡單 PbO2AC PbO2Pb PbO2Pb+AC13 磷酸磷酸鐵鋰鐵鋰+AC石石墨墨14氧氧化化鎳鎳儲氫儲氫合金合金+ +ACAC15分類、名稱分類、名稱電極材料舉例電極材料舉例負極負極正極正極超級超級電容電容器及器及變種變種超級電容器超級電容器活性炭活性炭活性炭活性炭混合型超級電容器混合型超級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)市場的需要，在盡量保持長壽命和高功率的根據(jù)市場的需要，在盡量保持長壽命和高功率的同時同時,努力提高提高比能量努力提高提高比能量二、超級電容器的技術(shù)發(fā)展動向二、超級電容器的技術(shù)發(fā)展動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格？價格？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、性價比性價比7 7、對電解液具有良好的浸潤性、對電解液具有良好的浸潤性8 8、析氣少析氣少各指各指標間標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口電容炭主要靠進口防化研究院中試連續(xù)性生產(chǎn)線防化研究院中試連續(xù)性生產(chǎn)線BTR公司工程化生產(chǎn)線公司工程化生產(chǎn)線6 6月通過鑒定月通過鑒定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個乙基兩兩成環(huán)個乙基兩兩成環(huán)提高穩(wěn)定性提高穩(wěn)定性減小體積減小體積問題：正極的穩(wěn)定壽命問題：正極的穩(wěn)定壽命減少炭材料的雜質(zhì)和水分，調(diào)節(jié)官能團減少炭材料的雜質(zhì)和水分，調(diào)節(jié)官能團鋁箔預(yù)先涂覆導(dǎo)電炭層，增強活性層與鋁箔的電鋁箔預(yù)先涂覆導(dǎo)電炭層，增強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)阻開發(fā)高安全性、高性能超級電容器開發(fā)高安全性、高性能超級電容器研究無毒的溶劑，替代乙腈研究無毒的溶劑，替代乙腈長壽命和高功率是雙電層超級電容器的兩大優(yōu)勢長壽命和高功率是雙

10、電層超級電容器的兩大優(yōu)勢不宜過分追求高比能量而犧牲它們不宜過分追求高比能量而犧牲它們1、超級電容器在電動汽車中的應(yīng)用、超級電容器在電動汽車中的應(yīng)用混合動力汽車混合動力汽車汽車啟停系統(tǒng)汽車啟停系統(tǒng)燃料電池汽車燃料電池汽車城市軌道交通城市軌道交通純電動汽車純電動汽車與其他能量部件（發(fā)動機、蓄與其他能量部件（發(fā)動機、蓄電池、燃料電池）并聯(lián)工作電池、燃料電池）并聯(lián)工作：提供車輛啟動需求的高功率提供車輛啟動需求的高功率承受制動能量全回饋的高功率沖擊承受制動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)燃機如果是內(nèi)燃機可減小其設(shè)計功率，減輕可減小其設(shè)計功率，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電池壽命，節(jié)省電能延長電池壽命，節(jié)省電能 三、超級電容器的應(yīng)用三、超級電容器的應(yīng)用新能源汽車單獨應(yīng)用超級電容器新能源汽車單獨應(yīng)用超級電容器“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車示范工程以混合動力為主能源構(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+ +超級電容超級電容67%67%南車時代、宇通客車、海格客車南車時代、宇通客車、海格客車油油+ +超級電容超級電容+ +鋰電池鋰電池7%7%金旅客車、中通客車、大金龍金旅客車、中通客車、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鋰電池純電動5%比亞迪、眾泰等比亞迪、眾泰等(深圳市今朝時代公司2012年提供)南車南車2011年生產(chǎn)了年生產(chǎn)了1000輛超級電容器混合動力客車輛超級電容器混合動力客車C/CC/C有機體系超級電容器，是回收剎車能量的首選。有機體系超級電容器，是回收剎車能量的首選。在混合電動車使用，節(jié)油率在混合電動車使用，節(jié)油率15%-20%15%-20%城市公共交通城市公共交通城市無軌電車城市無軌電車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炭炭超級電容器寧波南車炭炭超級電容器快速充電電源快速充電電源寧波南車炭炭超級電容器寧波南車炭炭超級電容器 避免對電網(wǎng)的沖擊避免對電網(wǎng)的沖擊問題：車價昂貴；充電站多問題：車價昂貴；充電站多變變速速箱箱220V純電動車純電動車純電動汽車