超级电容器(新能源材料与器件导论第二十节课件)

11第八章超级电容器2目录7.1超级电容器概述7.1.1什么是超级电容器？7.1.2超级电容器的特点7.1.3超级电容器的分类7.1.4超级电容器工作原理7.1.5制备高性能的超级电容器的两个途径7.1.6超级电容器的优缺点7.1.7超级电容器制作工序7.1.8超级电容器的性能指标7.1.4超级电容器与锂离子电池对比37.2风能基本参数及我国风能分布7.2.1多孔电容炭材料7.2.2准电容储能材料7.2.3高性能电解质溶液7.2.4以减轻重量为总新的结构设计目录47.1.1什么是超级电容器？超级电容(supercapacitor)，是相对于传统电容器而言具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来存储能量。7.1超级电容器概述超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。57.1.2超级电容器的特点超级电容器的八大特点可任意并联增加电容量等效串联电阻ESR相对常规电容器大绿色环保工作温度范围宽电容量大充放电寿命很长快速充电超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，则电容量越大。大电流放电可达500000次，或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次可以提供很高的放电电流可以数十秒到数分钟内快速充电（-40-+70℃）10F/2.5V的ESR为110mΩ67.1.3超级电容器的分类以炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，本质是静电型能量储存方式，通常被称作双电层电容器(EDLC)。电容量与电极电位和比表面积的大小有关，因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料，从而增加电容量。分类以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器。与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要大10～100倍，因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军事领域。77.1.4超级电容器工作原理双电层电容原理由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附,造成两固体电极之间的电势差,从而实现能量的存储。放电时,阴阳离子离开固体电极的表面,返回电解液本体。充电时,在固体电极上电荷引力的作用下,电解液中阴阳离子分别聚集两个固体电极的表面;双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。其储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。这种储能原理允许大电流快速充放电,其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。8赝电容原理：利用在电极表面及其附近发生在一定电位范围内快速可逆法拉第反应来实现能量存储。这种法拉第反应与二次电池的氧化还原反应不同。此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是原电池,如:（1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线性关系;（2）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K,则产生的电流为恒定或几乎恒定的容性充电电流I=CdV/dt=CK。赝电容原理超级电容器的大容量和高功率充放电就是由这2种原理产生的。充电时,依靠这2种原理储存电荷,实现能量的积累;放电时,又依靠这2原理,实现能量的释放。9增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量。提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提高准电容容量。text1text27.1.5制备高性能的超级电容器的两个途径实际上对一种电极材料而言,这2种储能机理往往同时存在，只不过是以何者为主而已。107.1.6超级电容器的优缺点优缺点对比缺点优点在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路11非极化电极制作极化电极制作超级电容器制作混料和浆（金属氧化物、纤维素溶液）—刮浆（导电骨架）—干燥—烧结—浸渍—水洗—干燥—化成—烘干混料和浆（活性炭、粘合剂、导电剂）—拉浆—烘干—裁剪成形组合（正、负极、隔膜）—点焊极柱—装壳—注电解液—测试分容—组件组合—包装入库7.1.7超级电容制作工序12专项规划的总体任务额定容量5秒内放电到额定电压一半的电流一般为10μA/F充电到额定电压后保持2-3分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值额定电压性能指标7.1.8超级电容器的性能指标额定电流漏电流可使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V）13专项规划的总体任务等效串联电阻20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间10秒为一个循环。一般可达500000次。这里指：功率密度（kW/kg）和能量密度（wh/kg），根据不同超容性能而变化。以规定的恒定电流和频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。寿命性能指标7.1.8超级电容器的性能指标循环寿命密度在25℃环境温度下的寿命通常在90000小时，在60℃的环境温度下为4000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍141.超低串联等效电阻；2.功率密度较电池高，功率密度是锂离子电池的数十倍以上；3.循环寿命：50万次4.大电流放电：一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上5.工作范围广：-40℃～+70℃1.串联电阻较高；2.功率密度较低；3.循环寿命约为1000次；4.充放电效率较低：一般为几个小时；5.一般电池是-20℃～60℃7.1.9超级电容器与锂离子电池电池对比超容锂离子电池15对比数据性能铅酸电池超级电容器普通电容器充电时间1-5小时0.3-若干秒10-3—10-6秒放电时间0.3-3小时0.3-若干秒10-3—10-6秒比能Wh/kg30-401-200.1循环寿命30010000100000比功率W/kg3001000100000充放电效率0.7-0.850.85-0.980.9516研究内容多孔电容炭材料准电容储能材料高性能电解质溶液以减轻重量为中心的结构设计7.2超级电容器技术及电极材料的进展超级电容器的核心177.2.1多孔电容炭材料良好的电解液浸润性高性价比高纯度高比表面高中孔孔容高电导率高的堆积比重比表面1000m2/g理论比电容250F/g灰份0.1%孔容12~40Å400l/g，大于40Å的孔容50l/g18已研制的电容炭材料A活性炭(粉、纤维、布)B纳米碳管C碳气凝胶D活化玻态炭D活化玻态炭应用最多的电极材料19(1)炭化、活化条件，高温处理；(2)孔分布情况；(3)表面官能团(4)杂质。(1)成本较低；(2)比表面积高;(3)实用性强；(4)生产制备工艺成熟；(5)高比容量，最高达到500F/g，一般200F/g。材料复合、降低成本优势性能影响因素研究趋势活性炭20活性炭表面官能团的作用含氧官能团越多，导电性越差。羧基浓度越大，漏电电流越大，储存性能越差。羧基浓度越高，静态电位越高，越易析氧，电极越不稳定。处理炭表面官能团，提高性能21高温处理的影响1234增加电导率和密度减少表面官能团，也减小比表面、比容量适宜的高温处理，可提高大电流下体积比容量进行二次活化可提高比表面—重量比容量高温处理的影响22活性炭纤维的研究举例纺丝原料的“掺杂”1、过渡金属螯合物—活化催化剂2、低分解点、低残炭量共聚物3、纳米材料—炭黑等酚醛树脂纤维和布炭化、活化23生产用粉状活性炭性能的比较KOH电解液体系充放电流密度（mA/g）501000200050008000成型密度（g/cm3）防化院2722201981621330.72巨容用炭19014912983未测0.76奥威用炭1271048769640.65质量比容量（F/g）金正平炭87655342未测0.6824有机电解液电容炭性能比较编号比容量（F/g）内阻（m）生产厂家ACC-507-25302.48松下电器产业中央研究所ACC-5092-25253.40松下电器产业中央研究所电容炭242.71三菱化学AC-701352.53防化研究院第一研究所25碳纳米管特点比表面小，比容量低导电性好，比功率高成本高因而一般是做添加剂使用！26碳气凝胶——电子导电性好R+F以Na2CO3催化热凝凝胶丙酮置换无水凝胶液体CO2置换超临界干燥RF-气凝胶炭化碳气凝胶电容器产品性能：功率4000W/kg，能量1Wh/kg缺点：制备费力碳气凝胶制备方法27玻态炭电导率高，机械性能好；结构致密，慢升温制作难，价贵。玻态炭活性玻态炭纳米孔玻态炭整体多孔，比能量提高快速升温炭化，成本大降纳米孔玻态炭只能表层活化多孔碳层厚15~20um多孔碳层的电导率高，比功率18kW/L；但电容器的比能量很低（0.07Wh/L）28纳米孔玻态炭与碳气凝胶性能比较项目纳米孔玻态炭碳气凝胶（美国）比表面积m2/g800~1900400~1000电导率S/cm7~605~40电极密度g/cm30.730.70最佳比容量F/g230170制备条件常规方法、简单方便超临界干燥周期长、费用高29研究内容多孔电容炭材料准电容储能材料高性能电解质溶液以减轻重量为中心的结构设计7.2超级电容器技术及电极材料的进展30高比表面——高比能量低电阻率——高比功率化学稳定性——长寿命高纯度——减少自放电价格低——便于推广应用要求准电容器对金属化合物的性能要求：31三种主要的准电容器贵金属廉价金属导电聚合物1.贵金属RuO2电容性能研究(1)使用硫酸电解液；容量高，功率大，成本高。(2)热分解氧化法380F/g溶胶-凝胶法768F/g2.添加W、Cr、Mo、V、Ti等的氧化物(1)降低成本；(2)复合后性能高：WO3/RuO2比容量高达560F/g;Ru1-yCryO2xH2O比容量高达840F/g(3)活性炭上沉积0.4mm无定形钌膜达到900F/g.1.MnO2材料溶胶-凝胶法制得MnO2水合物在KOH溶液中比容量为689F/g。2.NiO材料溶胶-凝胶法制得多孔NiO比容量265F/g。3.多孔V2O5水合物比容量350F/g（在KCl溶液）。4.Co2O3干凝胶比容量291F/g。（KOH溶液中）。5.-Mo2N比容量203F/g。1.研究情况：聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚亚胺酯2.性能特点：可快速充放电、温度范围宽、不污染环境；3.存在问题：稳定性、循环性问题。贵金属32研究内容多孔电容炭材料准电容储能材料高性能电解质溶液以减轻重量为中心的结构设计7.2超级电容器技术及电极材料的进展33高性能电解质溶液性能要求分解电压高使用温度范围要宽电导率高电解液的浓度大电解液的浸润性好不与电极反应电解液纯度高分解电压高34电容器电解质：水溶液：酸性体系——硫酸碱性体系——氢氧化钾有机电解液：Et4NBF4/PC（小型电容器，高温性能好）Et4NBF4/AN（大型，大功率、低温）LiAlCl4/SOCl2季磷盐(R4P+)电导率高、电化学稳定性好，可以提高电容器的分解电压(达5.4～5.5V)。。固体电解质：LiCF3SO22N/PEO、RbAg4I535研究内容多孔电容炭材料准电容储能材料高性能电解质溶液以减轻重量为中心的结构设计7.2超级电容器技术及电极材料的进展364.以减轻重量为中心的结构设计电极设计、封装设计、特殊用途设计：卷绕式平板式（单体内并结构）双极性结构（单体内串结构）软包装的应用模块化、独立功能化设计。37案例人生在世，谁都会遇到挫折，适度的挫折具有一定的积极意义，它可以帮助人们驱走惰性，促使人奋进。挫折又是一种挑战和考验。英国哲学家培根说过：“超越自然的奇迹多是在对逆境的征服中出现的。”关键的问题是应该如何面对挫折。正确对待人生的挫折