超級(jí)電容器的發(fā)展與應(yīng)用

1、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,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,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

2、“外并”改“內(nèi)并”,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。,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,6,1、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

3、活性炭,水溶液電解質(zhì),advanced lead-acid batteries（美國(guó)？）,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,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),8,2、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,國(guó)外報(bào)道,成都有機(jī)所,A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160,正極：活性炭電極 60-45

4、% 加15-30% LiMn2O4 負(fù)極：Li4Ti5O12,Xuebo Hu et.al J PowerSources187(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,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,10,1、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 UltraBattery,L.T.Lam & R.Louey J Power Sources 158(2006)1140,+,11,2、電池的電

5、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，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,12,2.1 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,13,2.2 電容型鋰離子電池,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 ”

6、,朝陽 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,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

7、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。,15,小結(jié)：超級(jí)電容器與電池的變種,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？,多孔電容炭材料性能要求,1、高比表面 1000m2/g 2、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

8、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,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月通過鑒定,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%,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,問題：正極的穩(wěn)定壽命,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)?；?開發(fā)高安全性、高性能超級(jí)電容器 研究無毒的溶劑，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

9、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,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,(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/

10、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%,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）,城市公共交通,城市無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,問題：車價(jià)昂貴；充電站多,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,高