超级电容器的发展与应用-杨院士-南通江海课件

1超级电容器的技术发展

与应用

2015.11.13南通杨裕生1超级电容器的技术发展

与应用2015.11.13南2超级电容器的主要不足是比能量不高，而电池的主要问题是要提高比功率和延长循环寿命，二者并联使用在一定程度上可以互补而得较好的效果。一、电池与超级电容器的融合外并——电池与超级电容器并联使用并联电源的比功率和寿命比电池提高电路复杂、体积庞大、价格昂贵、使用不便电池控制器充电器充电器电容器2超级电容器的主要不足是比能量不高，而电池的主3

近些年，超级电容器和电池进行内部“融合”，即超级电容器里加入电池的电极材料，也在电池中添加活性炭。

电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命超级电容器中融合电池材料，比能量有所提高优越性：省去并联线路；自动调整电压简化管理系统；加快电池充电电容器与电池的“外并”改“内并”3近些年，超级电容器和电池进行内部“融合”，4随着研究的进展，衍生出许多不同的组合方式，取了许多新名称，虽然大多数的组合方式与名称相符，但也有个别是有意无意的名不符实。

应该整理一下首先划分“电池的变种”与“电容器的变种”，然后再行细分，并研究机理。4随着研究的进展，衍生出许多不同的组合方式，取5超级电容器两个电极均以双电层原理蓄电的储能器件超级电容器主要用活性炭（大比表面的炭）作为活性物质超级电容器的电解液水溶液体系：酸、碱、中性有机溶液体系——电压高超级电容器及其变种超级电容器的比能量低活性炭活性炭隔膜5超级电容器两个电极均以双电层原理蓄电的储能器件超级电容器主61、混合型超级电容器

简称混合电容器一个电极以双电层原理蓄电、另一个为电池电极的储能器件例1：正极PbO2,负极活性炭例2: 正极NiOOH,负极活性炭水溶液电解质advancedlead-acidbatteries（美国？）活性炭+—活性炭氧化铅+—活性炭氧化镍61、混合型超级电容器

简称混合电容器一个电极以双电层原理蓄7比功率、比能量、充-放电寿命介于电池与超级电容器之间，接近超级电容器例3: 正极活性炭,负极Li4Ti5O12有机溶液电解质1、混合型超级电容器（续）

简称混合电容器+—活性炭钛酸锂混合（不对称）电容器兼收两者的优点也继承了两者的缺点——两者的折衷例4: 正极活性炭,负极能嵌锂的碳(江海)7比功率、比能量、充-放电寿命介于例3: 正极活性炭,负极L82、混合型电池电容器混合型超级电容器的活性炭正极中混入锂离子电池正极材料①国外报道②成都有机所

A.D.Pasquieret.alJPowerSources136(2004)160正极：活性炭电极60-45%

加15-30%LiMn2O4负极：Li4Ti5O12

XueboHuet.alJPowerSources187(2009)635

4C恒电流下：14.47Wh/kg，5000次衰减<8%

正极：活性炭电极

加少部分

LiCoO2

负极：Li4Ti5O12——活性炭仍为主+—活性炭+锂盐钛酸锂82、混合型电池电容器混合型超级电容器的活性炭正极中①国外报9电池中的电极与活性炭电极并联电池添加活性炭的变种电池的电极中混入少部分活性炭

——电容型电池

9电池中的电极与活性炭电极并联电池添加活性炭的变种电池的电极101、超级电池——铅酸电池铅负极并联炭电极铅酸电池混合电容器超级电池UltraBatteryL.T.Lam&R.LoueyJPowerSources158(2006)1140PbO2活性炭Pb—++PbO2Pb—PbO2AC+—101、超级电池——铅酸电池铅负极并联炭电极铅酸电池混合电容112、电池的电极中混入活性炭

——电容型电池

将活性炭混入铅酸电池负极活性炭混入锂离子电池正极

（江苏常州，辽宁朝阳，2011年6月）活性炭混入镍氢电池负极（天津国泰之光研究院，2011年9月）混入活性炭的效果：

(+)比功率提高循环性改善

(--)比能量减低——活性炭占了电极部分位置可能增加电极析气量和调浆、涂佈难度112、电池的电极中混入活性炭

——电容型电池将活性炭混入122.1电容型铅酸电池

——“铅炭电池”

炭加到入铅酸电池的负极中铅酸电池混合电容器铅炭电池较超级电池工艺简单PbO2AC+—PbO2Pb+—PbO2Pb+AC+—122.1电容型铅酸电池——“铅炭电池”

炭加到入铅132.2电容型锂离子电池①常州华日升凯晟能源科技有限公司

2011年6月会议，7月技术论证咨询会

“高功率、高能量和高安全性

磷酸铁锂锂离子动力电容电池

”②朝阳立塬新能源有限公司

2011年6月会议，2012年1月成果鉴定会正极：LiFePO4–加活性炭

；负极：碳锂离子电池正极中加入活性炭——活性炭为辅正极：LiFePO4–加活性炭；负极：碳功率型：

78Wh/kg，

3000次衰减至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

+—磷酸铁锂+AC石墨132.2电容型锂离子电池①常州华日升凯晟能源科14“镍碳超级电容器”科技日报2010年9月报道镍氢电池的负极中加入活性炭活性炭在负极中占30%储氢合金占主导地位镍氢电池的基本结构未变电池负极中的活性炭占小头——活性炭为辅2.3电容型镍氢电池上述的名称都较长，是为了准确、全面地反映蓄电器件的实质。当然，应该允许有简称，但是无论如何简化，是“电池”还是“电容器”必须正确地表达清楚，不要混淆。+—氧化镍储氢合金+AC14“镍碳超级电容器”科技日报2010年9月报道镍氢电池的负15小结：超级电容器与电池的变种分类、名称电极材料举例负极正极超级电容器及变种超级电容器活性炭活性炭混合型超级电容器活性炭氧化铅、镍钛酸锂；碳活性炭混合型电池电容器钛酸锂活性炭+锂盐电池添加活性炭的变种电池电极与活性炭电极并联=超级电池活性炭电极并联铅电极PbO2铅酸-电池的电极中加入部分活性炭——电容型电池铅+活性炭PbO2锂离子石墨锂盐+活性炭镍氢-AB5+活性炭NiO15小结：超级电容器与电池的变种分类、名称电极材料举例负极正16根据市场的需要，在尽量保持长寿命和高功率的同时,努力提高提高比能量二、超级电容器的技术发展动向提高电极的比电容—新型高比容量碳材料

1、提高比能量石墨烯作电极导电添加剂多孔石墨烯、立体石墨烯——主材料价格？16根据市场的需要，在尽量保持长寿命和高功率的同时,努力提高多孔电容炭材料性能要求1、高比表面>1000m2/g2、高中孔率--合理的孔结构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、对电解液具有良好的浸润性8、析气少各指标间相互矛盾高性能、低成本电容炭多孔电容炭材料性能要求1、高比表面>1000m2/电容炭主要靠进口防化研究院中试连续性生产线BTR公司工程化生产线6月通过鉴定电容炭主要靠进口防化研究院中试连续性生产线BTR公司工程化生SBP-BF4提高电解液的分解电压

减小电解质离子半径→3.0V，比能量↑23%BF4NBF4N四氟硼酸四乙铵四氟硼酸螺环季铵4个乙基两两成环提高稳定性减小体积问题：正极的稳定寿命SBP-BF4提高电解液的分解电压BF4NBF4N四氟硼酸四3、增长寿命减少炭材料的杂质和水分，调节官能团2、提高比功率铝箔预先涂覆导电炭层，增强活性层与铝箔的电接触，降低电极内阻4、环保化开发高安全性、高性能超级电容器研究无毒的溶剂，替代乙腈长寿命和高功率是双电层超级电容器的两大优势不宜过分追求高比能量而牺牲它们3、增长寿命减少炭材料的杂质和水分，调节官能团2、提高比功率1、超级电容器在电动汽车中的应用混合动力汽车汽车启停系统燃料电池汽车城市轨道交通纯电动汽车与其他能量部件（发动机、蓄电池、燃料电池）并联工作：提供车辆启动需求的高功率承受制动能量全回馈的高功率冲击承受大电流快速充电的高功率冲击如果是内燃机——可减小其设计功率，减轻重量，节省油料，降低污染；如是燃料电池——适应路况需求各种蓄电池——延长电池寿命，节省电能效果三、超级电容器的应用1、超级电容器在电动汽车中的应用混合动力汽车与其他能量部件（新能源汽车单独应用超级电容器“十城千辆”节能与新能源汽车示范工程以混合动力为主能源构成比例主要采用厂家

油+超级电容67%南车时代、宇通客车、海格客车油+超级电容+锂电池7%金旅客车、中通客车、大金龙

油+锂电池21%北汽福田、五洲龙锂电池纯电动5%比亚迪、众泰等(深圳市今朝时代公司2012年提供)南车2011年生产了1000辆超级电容器混合动力客车C/C有机体系超级电容器，是回收刹车能量的首选。适合在混合电动车使用，节油率15%-20%新能源汽车单独应用超级电容器“十城千辆”节能与新能源汽车示范1、以铅酸电池+电容器为电源（北京科凌）增程式电动公交车从北京开到扬州两天1100公里中途充电一次百公里油耗19L(均速50km/h下)2、以镍-炭混合电容器为电源（青年-巨容）（还有以锂离子电池为电源）1、以铅酸电池+电容器为电源（北京科凌）增程式电动公交车从北城市公共交通城市无轨电车——上海奥威镍碳混合电容器城市轨道交通——宁波南车炭炭超级电容器快速充电电源——宁波南车炭炭超级电容器

避免对电网的冲击问题：车价昂贵；充电站多城市公共交通城市无轨电车——上海奥威镍碳混合电容器问题：车价只有电动机驱动故属纯电驱动行驶前电池组充电

途中小功率发电机

在最佳工况下发电

——节能发电机与电源组并联驱动电动机也给电源充电50公里内不用油；长途仍需用油但可省油一半以上电源组电机变速箱充电器220V纯电动车发电机油箱内燃机纯电动汽车增程高功率电池或储能电池+超电容提供\回收电能增程式电动汽车(EREV)科技部863计划支持增程式电动轿车和客车了只有电动机驱动行驶前电池组充电

途中小功率发电机

在最佳工况

2、超级电容器在电网中应用比能量低，限制了它在规模蓄电中应用用于：电网的调频；瞬时电压波动的平抑风力发电机的浆距调节2、超级电容器在电网中应用比能量低，限制了它在规模蓄电中应回收位能：港机电梯

………要努力开发

3、超级电容器在节能中应用回收位能：3、超级电容器在节能中应用28谢谢！28谢谢！29超级电容器的技术发展

与应用

2015.11.13南通杨裕生1超级电容器的技术发展

与应用2015.11.13南30超级电容器的主要不足是比能量不高，而电池的主要问题是要提高比功率和延长循环寿命，二者并联使用在一定程度上可以互补而得较好的效果。一、电池与超级电容器的融合外并——电池与超级电容器并联使用并联电源的比功率和寿命比电池提高电路复杂、体积庞大、价格昂贵、使用不便电池控制器充电器充电器电容器2超级电容器的主要不足是比能量不高，而电池的主31

近些年，超级电容器和电池进行内部“融合”，即超级电容器里加入电池的电极材料，也在电池中添加活性炭。

电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命超级电容器中融合电池材料，比能量有所提高优越性：省去并联线路；自动调整电压简化管理系统；加快电池充电电容器与电池的“外并”改“内并”3近些年，超级电容器和电池进行内部“融合”，32随着研究的进展，衍生出许多不同的组合方式，取了许多新名称，虽然大多数的组合方式与名称相符，但也有个别是有意无意的名不符实。

应该整理一下首先划分“电池的变种”与“电容器的变种”，然后再行细分，并研究机理。4随着研究的进展，衍生出许多不同的组合方式，取33超级电容器两个电极均以双电层原理蓄电的储能器件超级电容器主要用活性炭（大比表面的炭）作为活性物质超级电容器的电解液水溶液体系：酸、碱、中性有机溶液体系——电压高超级电容器及其变种超级电容器的比能量低活性炭活性炭隔膜5超级电容器两个电极均以双电层原理蓄电的储能器件超级电容器主341、混合型超级电容器

简称混合电容器一个电极以双电层原理蓄电、另一个为电池电极的储能器件例1：正极PbO2,负极活性炭例2: 正极NiOOH,负极活性炭水溶液电解质advancedlead-acidbatteries（美国？）活性炭+—活性炭氧化铅+—活性炭氧化镍61、混合型超级电容器

简称混合电容器一个电极以双电层原理蓄35比功率、比能量、充-放电寿命介于电池与超级电容器之间，接近超级电容器例3: 正极活性炭,负极Li4Ti5O12有机溶液电解质1、混合型超级电容器（续）

简称混合电容器+—活性炭钛酸锂混合（不对称）电容器兼收两者的优点也继承了两者的缺点——两者的折衷例4: 正极活性炭,负极能嵌锂的碳(江海)7比功率、比能量、充-放电寿命介于例3: 正极活性炭,负极L362、混合型电池电容器混合型超级电容器的活性炭正极中混入锂离子电池正极材料①国外报道②成都有机所

A.D.Pasquieret.alJPowerSources136(2004)160正极：活性炭电极60-45%

加15-30%LiMn2O4负极：Li4Ti5O12

XueboHuet.alJPowerSources187(2009)635

4C恒电流下：14.47Wh/kg，5000次衰减<8%

正极：活性炭电极

加少部分

LiCoO2

负极：Li4Ti5O12——活性炭仍为主+—活性炭+锂盐钛酸锂82、混合型电池电容器混合型超级电容器的活性炭正极中①国外报37电池中的电极与活性炭电极并联电池添加活性炭的变种电池的电极中混入少部分活性炭

——电容型电池

9电池中的电极与活性炭电极并联电池添加活性炭的变种电池的电极381、超级电池——铅酸电池铅负极并联炭电极铅酸电池混合电容器超级电池UltraBatteryL.T.Lam&R.LoueyJPowerSources158(2006)1140PbO2活性炭Pb—++PbO2Pb—PbO2AC+—101、超级电池——铅酸电池铅负极并联炭电极铅酸电池混合电容392、电池的电极中混入活性炭

——电容型电池

将活性炭混入铅酸电池负极活性炭混入锂离子电池正极

（江苏常州，辽宁朝阳，2011年6月）活性炭混入镍氢电池负极（天津国泰之光研究院，2011年9月）混入活性炭的效果：

(+)比功率提高循环性改善

(--)比能量减低——活性炭占了电极部分位置可能增加电极析气量和调浆、涂佈难度112、电池的电极中混入活性炭

——电容型电池将活性炭混入402.1电容型铅酸电池

——“铅炭电池”

炭加到入铅酸电池的负极中铅酸电池混合电容器铅炭电池较超级电池工艺简单PbO2AC+—PbO2Pb+—PbO2Pb+AC+—122.1电容型铅酸电池——“铅炭电池”

炭加到入铅412.2电容型锂离子电池①常州华日升凯晟能源科技有限公司

2011年6月会议，7月技术论证咨询会

“高功率、高能量和高安全性

磷酸铁锂锂离子动力电容电池

”②朝阳立塬新能源有限公司

2011年6月会议，2012年1月成果鉴定会正极：LiFePO4–加活性炭

；负极：碳锂离子电池正极中加入活性炭——活性炭为辅正极：LiFePO4–加活性炭；负极：碳功率型：

78Wh/kg，

3000次衰减至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

+—磷酸铁锂+AC石墨132.2电容型锂离子电池①常州华日升凯晟能源科42“镍碳超级电容器”科技日报2010年9月报道镍氢电池的负极中加入活性炭活性炭在负极中占30%储氢合金占主导地位镍氢电池的基本结构未变电池负极中的活性炭占小头——活性炭为辅2.3电容型镍氢电池上述的名称都较长，是为了准确、全面地反映蓄电器件的实质。当然，应该允许有简称，但是无论如何简化，是“电池”还是“电容器”必须正确地表达清楚，不要混淆。+—氧化镍储氢合金+AC14“镍碳超级电容器”科技日报2010年9月报道镍氢电池的负43小结：超级电容器与电池的变种分类、名称电极材料举例负极正极超级电容器及变种超级电容器活性炭活性炭混合型超级电容器活性炭氧化铅、镍钛酸锂；碳活性炭混合型电池电容器钛酸锂活性炭+锂盐电池添加活性炭的变种电池电极与活性炭电极并联=超级电池活性炭电极并联铅电极PbO2铅酸-电池的电极中加入部分活性炭——电容型电池铅+活性炭PbO2锂离子石墨锂盐+活性炭镍氢-AB5+活性炭NiO15小结：超级电容器与电池的变种分类、名称电极材料举例负极正44根据市场的需要，在尽量保持长寿命和高功率的同时,努力提高提高比能量二、超级电容器的技术发展动向提高电极的比电容—新型高比容量碳材料

1、提高比能量石墨烯作电极导电添加剂多孔石墨烯、立体石墨烯——主材料价格？16根据市场的需要，在尽量保持长寿命和高功率的同时,努力提高多孔电容炭材料性能要求1、高比表面>1000m2/g2、高中孔率--合理的孔结构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、对电解液具有良好的浸润性8、析气少各指标间相互矛盾高性能、低成本电容炭多孔电容炭材料性能要求1、高比表面>1000m2/电容炭主要靠进口防化研究院中试连续性生产线BTR公司工程化生产线6月通过鉴定电容炭主要靠进口防化研究院中试连续性生产线BTR公司工程化生SBP-BF4提高电解液的分解电压

减小电解质离子半径→3.0V，比能量↑23%BF4NBF4N四氟硼酸四乙铵四氟硼酸螺环季铵4个乙基两两成环提高稳定性减小体积问题：正极的稳定寿命SBP-BF4提高电解液的分解电压BF4NBF4N四氟硼酸四3、增长寿命减少炭材料的杂质和水分，调节官能团2、提高比功率铝箔预先涂覆导电炭层，增强活性层与铝箔的电接触，降低电极内阻4、环保化开发高安全性、高性能超级电容器研究无毒的溶剂，替代乙腈长寿命和高功率是双电层超级电容器的两大优势不宜过分追求高比能量而牺牲它们3、增长寿命减少炭材料的杂质和水分，调节官能团2、提高比功率1、超级电容器在电动汽车中的应用混合动力汽车汽车启停系统燃料电池汽车城市轨道交通纯电动汽车与其他能量部件（发动机、蓄电池、燃料电池）并联工作：提供车辆启动需求的高功率承受制动能量全回馈的高功率冲击承受大电流快速充电的高功率冲击如果是内燃机——可减小其设计功率，减轻重量，节省油料，降低污染；如是燃料电池——适应路况需求各种蓄电池——延长电池寿命，节省电能效果三、超级电容器的应