超级电容器知识总结-刘永环PPT课件

,刘永环2015-3-31,1,-,目录,超级电容器的基本原理与分类,超级电容器的电极材料及电解液,超级电容器发展历程,国内外超级电容器发展现状,一,二,三,四,五,超电的未来与展望,2,-,一超级电容器发展历程,1954年第一份超级电容器的专利；1978年松下，Goldcap牌，最早产品；1980年NEC公司；80年代末ELNA公司。,3,-,20世纪80年代末，由于电动汽车发展的需要，大尺寸超级电容器的研制成为热点。俄、欧、美、日等国列入国家研究计划。,美国SurpercapacitorSymposium；从1991年起，每年都举办一次国际性的超级电容器研讨会；美国能源部制定了超级电容器的近期、中期、长期的研究目标。日本设立新电容器研究会；将超级电容器研究列入“新阳光”计划。以Saft牵头，欧盟组织电动车超级电容器的研制。,一超级电容器发展历程,4,-,我国从90年代开始研制超级电容器及其电极材料。超级电容器及其关键材料的研制已纳入“十五”、“十一五”、“863”计划中的部分专项和主题：电动车专项纳米材料专项特种功能材料技术主题。,一超级电容器发展历程,5,-,二基本原理,超级电容（supercapacitors），又叫双电层电容(ElectricalDoule-LayerCapacitors)、黄金电容、法拉电容，即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。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。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。,6,-,双电层原理示意图,二基本原理,7,-,双电层电容器充电状态电位分布曲线,二基本原理,8,-,双电层电容器放电状态电位分布曲线,二基本原理,9,-,准电容原理,准电容原理则是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。,10,-,法拉第准(赝)电容不仅只在电极表面,而且可在整个电极内部产生,因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下,法拉第准(赝)电容可以是双电层电容量的10100倍。,准电容原理,11,-,储能机理,双电层电容器法拉第电容器混合电容器,电解液,水系电解液电容器有机电解液电容器固态电解液电容器,电极材料,碳电极电容器金属氧化物/氢氧化物电容器导电聚合物电容器,正负极构成,对称型超级电容器非对称型超级电容器,1,2,3,4,三基本分类,12,-,性能特点-介于电池与物理电容器之间,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10-310-6秒放电时间0.3-3小时0.3-若干秒10-310-6秒比能Wh/kg30-401-2010000100000比功率W/kg10000.95,13,-,超级电容与电池的比较,超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）超长寿命，充放电大于50万次，是Li-ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应，免维护，可密封温度范围宽-40+70，一般电池是-2060,14,-,超级电容与各种电池的比较,Supercapacitors,LithiumIonBatterys,表面的反应,体相的反应,快速的反应,缓慢的脱嵌,高的功率密度,低的功率密度（1000W/Kg）,电解液可选择性强,电解液单一,b0.5电容行为,J.Phys.Chem.C2007,111,14925-14931；NatureMaterials12,518522(2013),15,-,超级电容与各种电池的比较,16,-,小型超级电容器,各种微处理机,玩具车,闪光灯,电动手工具,大型超级电容器各种交通工具电网UPS医院手术室核反应堆控制防护设备航空通讯设备无线电通讯系统电力高压开关的分合闸操作电阻焊机及科研测试设备等,超级电容器的应用单独使用、复式电源,消费电子,17,-,电极材料,18,-,多孔电容炭材料,性能要求1、高比表面1000m2/g理论比电容250F/g2、高中孔孔容1240400l/g，大于40的孔容50l/g，3、高电导率4、高的堆积比重5、高纯度灰份0.1%6、高性价比7、良好的电解液浸润性,各指标间相互矛盾,19,-,已研制的电容炭材料,活性炭（粉、纤维、布）应用最多的电极材料纳米碳管碳气凝胶活化玻态炭纳米孔玻态炭,20,-,活性炭,优势：（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。性能影响因素：（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。研究趋势：材料复合、降低成本,21,-,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,活性炭表面官能团的作用,22,-,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,23,-,24,-,碳纳米管,特点1、导电性好，比功率高2、比表面小，比容量低3、成本高作为添加剂使用,石墨烯电极材料,特点：导电率较高，化学性能稳定，机械强度较高，阻抗较小。,25,-,准电容储能材料,对金属化合物的性能要求：1、高比表面多孔，高比能量2、低电阻率高比功率3、化学稳定性长寿命4、高纯度减少自放电5、价格低便于推广应用,26,-,贵金属RuO2电容性能研究使用硫酸电解液；容量高，功率大，成本高。热分解氧化法380F/g溶胶-凝胶法768F/g,贵金属,27,-,添加W、Cr、Mo、V、Ti等的氧化物降低成本复合后性能高：WO3/RuO2比容量高达560F/gRu1-yCryO2xH2O比容量高达840F/g活性炭上沉积0.4mm无定形钌膜达到900F/g,28,-,廉价金属取代贵金属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。NiO材料溶胶-凝胶法制得多孔NiO比容量265F/g。北航做纳米Ni(OH)2容量500F/g以上。Ni(OH)2干凝胶容量900F/g。多孔V2O5水合物比容量350F/g（在KCl溶液）。Co2O3干凝胶比容量291F/g（KOH溶液中）。-Mo2N比容量203F/g。,29,-,研究情况：聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚亚胺酯性能特点：可快速充放电、温度范围宽、不污染环境；稳定性、循环性问题。,导电聚合物,30,-,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5.45.5V)。固体电解质：LiCF3SO22N/PEO、RbAg4I5,电解质,31,-,小型超级电容器,用途：小电流长时间放电领域：可用在小功率电子及电动玩具产品中做备用电源，或在带时钟的应用上进行数据存储，如录音机、MP3、家用电器等。,32,-,大型超级电容器组,用途：储能使用领域：电动汽车和混合电动汽车做动力源太阳能储能方面军事领域,33,-,大型超级电容器组,用途：储能使用领域：电动汽车和混合电动汽车做动力源太阳能储能方面军事领域,34,-,超级电容器主要生产公司及其产品,国外主要生产厂家：,德国EPCOSAG韩国Nesscap美国Maxwell,Elna,CooperIndustries俄罗斯ESMA,ACOND日本Nipponchemi-Con,NEC-Tokin,MatsushitaElecronicComponents,Ltd澳大利亚Cap-XX,35,-,超级电容器主要生产公司及其产品,国外主要生产厂家：,36,-,EPCOSAG（德国）,生产大、中型，C/有机电解液/C，品种多单体电容器：电压：2.3V、2.5V电容：5F-5000F电容器模块：电压：14、28、42、56、75V电容：3.3F-600F产品特点:电极工艺活性炭涂布电极和活性炭纤维电极。内阻低、功率密度大；循环寿命50万次。主要用途:自动仪表、数码相机；电动车、起重机、叉车、升降机、工业机器人、工业UPS等,2.超级电容器主要生产公司,37,-,Nesscap（韩国）,生产大、中型，C/有机电解液/C单体电容器：电压：2.3V、2.7V电容：3F5000F产品特点:电极工艺采用活性炭涂布法。综合性能最好。中型：比能量：4.1wh/kg,比功率10.1kw/kg；大型：比能量4.4wh/kg,比功率5.2kw/kg主要用途:汽车音响改善音质；太阳能照明和风能的储存电源等,38,-,Maxwell（美国）,美国主要的超级电容器生产商，生产大、中型，C/有机电解液/CPC(Powercache)系列：单体电压：2.5电容：42500，方型BCAP系列：单体电压：2.5电容：82600，圆柱型主要用途:中型主要用于计算机和通讯系统的备用电源；大型电容器主要用于电动汽车和其它运输车，工业用大型UPS。,39,-,ESMA（俄罗斯）,生产大型C/KOH/Ni(OH)2混合型单体电容器：电压：1.3V、1.6V启动型电容器:比能量约3wh/kg,比功率约2kw/kg牵引型电容器:比能量约10wh/kg,比功率0.6kw/kg主要用途:电动公交车、混合电动车等。,40,-,Nipponchemi-Con（日）,生产大型,C/有机电解液/C商标号：DLCAP单体电容器：电压：2.3V、2.5V电容：300F-3000F有方型和圆柱型电容器模块：电压：5-500V产品特点：大容量单体，高电压模块主要用途:混合电动车、燃料电池电动车等。,41,-,金正平公司（石）C/C叠层炭粉，KOH巨容公司（哈）C/Ni(OH)2，KOH奥威公司（沪）C/Ni(OH)2，KOH集星公司（京）C/C卷饶炭布，有机锦州公司（锦州）C/C卷饶炭粉，有机大庆C/C，H2SO4，小型双登公司（宁）C/Ni(OH)2，KOH、新能源（东莞）C/C，卷饶小型，有机。,国内主要生产厂家：,42,-,43,-,44,-,45,-,46,-,超级电容器面临的问题,动力型锂离子电池的威胁比能量大，比功率向3000W/kg前进，是否会取代超级电容器？各展所长，相互补充。进一步提高超级电容器性能，发挥其特长.,上海奥威公司、北京集星公司、锦州富辰公司、锦州锦容公司、石家庄高达公司、北京金正平公司、锦州凯美公司、大庆振富公司、江苏双登公司、哈尔滨巨容公司、南京集华公司等十多家,47,-,超级电容器如何发展？探索新材料、新体系,有机电解液双电层电容器研制高比容量炭电极材料；研制电压窗口宽的电解液体系；缩体减重的电容器制备工艺。,（1）高能量密度超级电容器,48,-,混合电容器体系,发展高比表面的纳米金属氧化物（或氮化物）准电容储能的电极材料；复合金属化合物；嵌入式化合物作为准电容储能材料。,49,-,（2）高功率密度超级电容器体系及其材料,纳米材料的研制及在电极中的稳定化高电导率超级电容器电解液体系研制；低电阻制作工艺研究。,50,-,比容量的计算,C=It/Vor,Cm(s)=It/m(s)V,C=CV积分/2VvorCm=CV积分/2Vvm,炭材料的比容量一般在有机电解液中100-120F/g，而在水系中150-300F/g。,51,-,炭材料孔径与比容量,一般情况，对于水系电解液，0.5nm以下的孔对电容没有贡献，孔径大于2nm是比较合适的。,52,-,国内超电公司名录,北京金正平科技有限公司石家庄高达科技有限公司上海奥威科技北京集星锦州凯美能源有限公司锦州百纳电子哈尔滨巨容新能源有限公司江苏双登集团有限公司山东海特电池科技有限公司天津力神电容有限公司上海瑞华集团（上海索锂科技有限公司）深圳福群保定亿普新能电子科技有限公司辽宁朝阳立塬新能源有限公司深圳新宙邦科技股份有限公司,53,-,深圳市富威康超级电容科技有限公司东莞市铭坤电子科技有限公司北京合众汇能科技有限公司常州康维电子科技有限公司丹东思凯电子发展有限公司今朝时代新能源技术有限公司深圳市惠程高能能源科技有限公司锦州市盛美电容器有限公司上海合达炭素有限公司河南滑县活性炭厂诺莱特科技(苏州)有限公司张家港市国泰华荣化工新材料有限公司广州天赐高新材料股份有限公司,国内超电公司名录,54,-,作为亚洲三大电池展之一，振威上海电池展是更是电池行业争相关注的焦点，目前展会已有众多行业知名企业鼎力参与。包括：比亚迪、力神、比克、中航锂电、天康、环宇集团、台塑长园、杉杉科技、汇杰、鸿宝科技、七星电子、海裕百特、赢合、雅康、骏泰、浩能、斯宇、达力、展羽、先导、荣恒、亿鑫丰、威亦旺、丹东百特、日联、正业、豪杰特、科锐、金银河、坚美、广宇在内的上市公司、龙头