2021年超级电容器资料

超级电容器2特点3分类2特点3分类1结构7应用7应用超级电容器的概念超级电容器(supercapacitor)是指相对传统电容器而言具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来储存能量。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。+Electrode研究院超级电容器的特点可任意并联a增加电容量3.V免维护，环保工作温度范围宽大电流放电快速充电6研究院超级电容器的分类超级电容器法拉第赝电容器电化学作用(法拉第反应)储能法拉第赝电容器电化学作用(法拉第反应)储能静电作用(helmholtz双电层)储能活性炭碳气凝胶碳纳米管对称型电极复合电极材料导电聚合物石墨烯金属氧化物导电聚合物混合型超级电容器可充电电池型非对称型电极可充电电池型赝电容+双电层电极8双电层电容原理双电层电容器双电层电容原理由于正负离子在固体电极和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。充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液中的阴阳离子分别聚集在两个固体电极的表面。放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。--+--++十-优点缺点优点缺点双电层电容的优缺点(1)寿命长，能维持数百万个充电循环的寿命；(2)每个周期的平均成本低；(3)良好的可逆性；(4)充电和放电率非常高；(5)非常低的内部电阻和随之而来的高周期效率(95%以上)和极低的放热；(6)高输出功率；(7)比功率高；(8)使用无腐蚀性的电解质和低毒性的材料，提高了安全性；(9)简单的充电方法，不必进行过充检测，因为没有过充的可能。(1)一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量一般较低；(2)高自放电率，大大高于电化学电池；(3)非常低的内部电阻允许极快速放电时，容易导致隔膜破裂从而发生短路。3-2法拉第赝电容器法拉第赝电容法拉第赝电容器也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征，故称为“准电容”,是作为双电层型电容器的一种补充形式。充电时，电解液中的离子在外加电场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中；若电极材料是具有较大比表面积的氧化物，就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路释放出来。十十A3-2法拉第赝电容器法拉第赝电容的优缺点法拉第赝电容器优点：在电极面积相同的情况下，法拉第赝电容器的比电容是双电层电容器的10-100倍，同时具有较大的比容量和能量密度。法拉第赝电容器缺点：由于电极反应牵涉到了化学反应过程，往往会有不可逆的成分在，所以可逆性和循环性能相对较差。3-3混合型超级电容器一极采用传统的电池电极并通过电化学反应来储存和转化能量，另一极则通过双电层来储存能量的一种超级电容器。法拉第赝电容双电层电容混合型超级电容器是电容器研究的热点。在超级电容器的充放电过程中正负极的储能机理不同，因此其具有双电层电容器和电池的双重特征。混合型超级电容器的充放电速度、功率密度、内阻、循环寿命等性能主要由电池电极决定，同时充放电过程中其电解液体积和电解质浓度会发生改变。法拉第赝电容双电层电容3-3混合型超级电容器锂离子电容器结构图结构图3-3混合型超级电容器锂离子电容器机理充电充电到石墨层间形成嵌锂石电解液中的阴离子则吸附在活性炭正极表面形成双电层。负极正极电解液石墨结构Li溶剂分子PF。活性炭Li+从负极材料中脱出回到电解液中，正极活性炭与电解液界面间产生的双电层解离，阴离负极正极电解液石墨结构Li溶剂分子PF。活性炭三种超级电容器对比三种超级电容器的优缺点对比超级电容器的结构粘结剂超级电容器结构超级电容器结构超级电容器的结构超级电容器的结构示意图A集流体集流体隔膜隔膜电极材料电解液超级电容器的结构超级电容器的电极材料4-1超级电容器的电极材料1、成本低2、比表面积高优势：3、实用性强优势：4、生产制备工艺成熟5、高比容量，能达到500F/g,一般为200F/g1、炭化、活化条件，高温处理性能影响因素：2、孔分布情况性能影响因素：3、表面官能团4、杂质研究趋势：材料复合，降低成本4-1超级电容器的电极材料2.碳纳米管单壁纳米管多壁纳米管优点：高导电率，比功率高，缺点：比表面积小，成本高。因此一般作为添加剂使用4-1超级电容器的电极材料碳气凝胶制备方法：凝胶—→丙酮置换—→无水凝胶炭化←—气凝胶—超临界干燥←—液体CO₂置换碳气凝胶缺点：制备工艺复杂所用药品毒性较大4-1超级电容器的电极材料4.石墨烯石墨烯(Graphene)是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，碳原子之间相互连接成六角网格。铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起。4-1超级电容器的电极材料4.石墨烯什么是石墨烯超级电容器?石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大比表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比，在能量储存和释放的过程中，显示了一些新颖的特征和机制。4-1超级电容器的电极材料4.石墨烯石墨烯超级电容器的优缺点具有非常高的电导率10⁴~106S/m石墨烯层间易堆积，降低了比表面积，同时也阻碍了电解液进入电极表面。价格较贵，5000石墨烯层间易堆积，降低了比表面积，同时也阻碍了电解液进入电极表面。价格较贵，5000元/g缺点优点循环稳定性强快速充放电优点4-1超级电容器的电极材料4.石墨烯超薄平面石墨烯超级电容器新型设计更能有效发挥石墨烯片层的双电层作用传统设计层层堆叠阻碍石墨烯超级电容器的电极材料4.石墨烯4.石墨烯>石墨烯上生长纳米晶体Ni(OH)₂>石墨烯上生长聚吡咯4-1超级电容器的电极材料4.石墨烯石墨烯/赝电容材料复合电极层次化聚苯胺纳米线/石墨烯4-1超级电容器的电极材料4.石墨烯4.石墨烯石墨烯/赝电容材料复合电极Ru02纳米粒子/石墨烯a)AsProparedGraphene二b)DispersionofGraphenec)FormationofRutheniumHydroxideFigure1.ThepreparationofROGSCsby一■-ROGSCs04-1超级电容器的电极材料法拉第赝电容对金属化合物的要求高比表面—高比容量高比表面—高比容量低电阻率—高比功率低电阻率—高比功率化学稳定性—长寿命化学稳定性—长寿命高纯度—减少自放电高纯度—减少自放电价格低—便于推广使用价格低—便于推广使用4-1超级电容器的电极材料三种主要的赝电容器电极材料1.贵金属RuO₂电容性能的研究(1)使用硫酸作为电解液，容量高，功率大，成本高。(2)热分解氧化法比容量为380F/g,溶胶凝胶法为768F/g。氧化物(1)降低成本(2)复合后性能提高>WO₃/RuO₂比容量高达560F/g>Ru₁GrxO₂比容量高达840F/g溶胶凝胶法制得的MnO₂水合物在KOH溶液中的比容量为689F/g1.研究情况2.性能特点溶胶凝胶法制得的多孔可快速充放电、温度范围NiO比容量为265F/g宽、不污染环境3.多孔V₂O₅水合物比容3.存在的问题液中)(1)稳定性差4.Co₃0₄干凝胶(2)循环性能较差4-1超级电容器的电极材料导电剂：导电炭黑、乙炔黑和导电石墨。粘结剂：羧甲基纤维素钠(CMC)、羧基丁苯胶乳(SBR)和聚偏氟乙烯(PVDF)。集流体：钛材料(酸性电解液)、镍材料(碱性电解液)和铝材料(有机/离子电解液)。4-2超级电容器的电解液分解极反应电解液纯度高性能要求4-2超级电容器的电解液按照电解液的类型可以分为水系电解液和有机系电解液水系电解液中性电解液(NaSO₄等)酸性电解液(H₂SO₄等)有机/离子电解液四氟硼酸四乙基铵(Et₄NBF₄)四氟硼酸甲基三乙基铵(MeEt₃NBF₄)4-2超级电容器的电解液有机系超级电容器和水系超级电容器的特性对比4-2超级电容器的电解液4-2超级电容器的电解液4-3超级电容器的隔膜日本高度纸业(NKK公司)和美国Celgard公司日本高度纸业(NKK公司)1.用于小型超级电容器的无纺布隔膜(扣式)2.用于大型超级电容器的纤维素隔膜(卷绕式或叠层式)研究院超级电容器的制作工艺软包超级电容器制作工艺流程图涂膜机辊压辊压机模切超声波极耳热平压机热平压机测试测试注液机折边真空折边机真空静置箱真空预封机超级电容器的制作工艺圆柱形超级电容器制作工艺流程图辊压辊压机涂膜机辊压辊压机涂膜机卷绕手动卷绕机卷绕手动卷绕机金属点焊机热平压机热平压机测试测试注液机折边真空静置箱真空预封机研究院超级电容器的性能指标自放电自放电超级电容器的性能指标额定容量以规定的恒定电流(如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A,200F以下的为3A)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。额定容量额定电压可使用的最高安全电压。在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上(如2.3V、2.5V、2.7V),如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。额定电压额定电流额定电流超级电容器的性能指标能量密度单位质量活性材料的能量，E=0.5CV²(C为活性材料的比容量，V为超级电容器的工作电压窗口)。能量密度自放电自放电与自漏电本质上是一样的，针对超级电容器的结构，相当于在电容内部是正极和负极之间有一条高阻电流通道，这就是意味着在电容充电的时候，同时会有一个额外的附加电流，当在充电是时候，我们可以将此电流当成漏电流；当移去充电电压后，同时电容没有连接负载，这个电流使电容处于放电状态，此时我们将此电流看成自放电电流。为了可靠地测量漏电流或者放电电流，电容必须被连续充电72小时以上，这同样是由电容的结构决定的。自放电超级电容器的性能指标等效串联电阻电容器的实际电流与电压的周期性变化不取决于频率，而是超出了90度的相角关系。这是因为阻抗是由电容与电阻结合，使得低于90度的相角增大，且与频率相关。其电阻成分表示为等效串联电阻，包括电解质电阻和接触电阻。等效串联电阻可以通过交流阻抗技术(EIS)测量，即是一种以小振幅的正弦波电压(或电流)为扰动信号，测定其响应电流(或电压)信号的电化学测量方法，为电化学暂态技术。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。寿命终了的标准为电容量低于额定容量20%,等效串联电阻增大到额定值的1.5倍。循环寿命通过恒电流充放电测试，根据恒流充放电曲线可计算出比容量，由此可得到比容量与循环次数的关系。研究院超级电容器的应用公用电器、工业及医疗电器：税控机、控制器(温度控制器)、触摸屏、摄像头、扫描仪、投影仪、考勤钟、计数器、显示屏、彩票机、银行终端、公汽读卡器、身份识别、复印机、打印机、X光机、磁共振、道钉机、电焊机、皮带机、激光器、矿灯、工业仪表、雷管、电动工具风光发电：风力发电、变浆、接收转换、太阳能发电(储能)、太阳能灯(警示灯、标识灯、道钉灯、地埋灯)、太阳能手电交通工具：摩托车启动、机车启动、电动汽车辅助动力、汽车启动、电动自行车辅助动力、汽车音响、后备电源：开关柜、直流屏、负荷调整电源、故障定位、变频器、脉冲电源、应急灯、救生绳、报警器能量回收：战斗机、军车、坦克、雷达、精准炮弹、激光炮、电磁炮、警棍·提高混合电力、燃料电池的动力效率·电容用于大量“停走”,加速期间或爬山时·适用于观光车，市内公交车，机场等·提供大电流放电及停刹车能量回收1MOT2.7-2太阳能领域的应用太阳能光伏产品种类很多，适合使用超级电容器的有太阳能电池太阳能太阳能电池太阳能→电能超级电容器太阳能灯照明无线节能鼠标.免用电池，无废电池污染问题.采用超级电容，充电迅速(90~240秒).充饱一次电可以使用60~240分钟.充放电次数>500,000次.使用27.042MHz免认证无线频段.256组随机随机数配对码.采用磁性连接充电，方便迅速对位.充电电力供应使用一般USB(5V/500mA)埠.有效传送范围；约3尺(1米).每秒撷取图像1,700次.每秒位传输速度4.8k(bps).分辨率800/1000cpi,每秒最高位移7-4IT产品RR7-5应急照明储能系统高亮度、长寿命和不间断性，采用由直流电源供电的半导体照明能，维修费用，同时也确保了照明质量。采用超级电容器作为储能元件，确保了应急照明灯的超长寿命和免维护、可靠性强灯特免换电，寿命特长.充电控制7珠白光UC放电电路开关充电控制7珠白光UC放电电路开关市电場合場合无绳电动螺丝刀-充电90秒·产品主要针对不长用业余用家，但需要快速电及突然大量使用·充满可安装22只螺丝，用电池可安装3·但充电时间为90秒，电池需要30分钟以上.如果需要安装100只螺丝，要等电池充电，超级电容可不断快速充电.换电池.7-7再生能源—削峰填谷·引入超级电容器使系统具有够大的过载能力.分吸收短时间隙的强大风能，及微小风能/太阳能条.充电及控制器保证系统在微风的条件吸收的能量在低压情况下向蓄电池充电.·充电效率高达85%.7-8风光储新能源上网系统国家电网中国2010牵上席营博音堂球查作快伴-40C7-9医疗器械●便携电源超级电容器可以作为便携式除颤器的放电电容。用超级电容加小马达充·由电容所提供的大脉冲能量约为200-360用超级电容加小马达充·发达国家的一些公共场合开始采用便携式除颤器，这样可以尽早地挽救生命。·其中的储能电容器以采用超级电容器为最佳方案，如400J储能仅需25F即可，即使按100F计算，其体积也仅仅为中25*45mm。·由于超级电容器的电压很低，可以使用超级电容模组或用功率变换器将电压提高到需要的水平。7-10电动自行车·脚踏和滑行能量回收效率为90%.电池只有30%.·延长电池寿命达一倍，环保十应急电源1)用于到达下一层2)用于打开门3)用于呼叫和照明系统分布式电源1)重型门2)修理时期动力供给3)动力平衡4)减少电梯系统电缆7-12航空航天Airbus空中客车公司已证明的解决方案。·在地面上，正常操作和紧急操作时，门必须被打开·在飞行时，门必须被关上并锁紧·可预测的充电级别，充电状态持续监视7-13轻轨和地铁能量回收系统能量存储系统：独立的工作方式或设计在车辆能量系统中Timet1车辆制动时能量存储系统会将制动时产生的能量储存起来TimeTimet1车辆制动时能量存储系统会将制动时产生的能量储存起来应用：车辆加速时，分时传递制动时产生的能量方案：可采用独立工作方式，也可设计在车辆本身的能量系统中优点：通过减少主能源的消耗从而降低实际使用成本独立工作方式能量存储系统7-14码头/货柜吊机·柴油发动机与超级电容结合使用·由超级电容提供峰值功率提高电动机车性能，如加速、制动等EQ\*jc3\*hps48\o\al(\s\up1(·),·)保护蓄电池过放电，延长使用寿命提高电动机车性能，如加速、制动等·超级电容器能在短时间内提供和吸收大的功率，而且能量回收率高、充放电次超级电容器价格相对电池要便宜，适合低成本方案超级电容器价格相对电池要便宜，适合低成本方案尽管超级电容器比能量较低，但是可以通过控制策略的研究，合理地进行能量分配。Humidfierunit技术参数：●超级电容器组件：·组件构成：180只单体。7-16电动游览车●组件额定电压：90V基本使用工况：·100%充电时间：≤10分钟，其后需恒压充电5分钟·100%充放电循环寿命：≥50000次·续驶里程：20km(100%充电后，时速30km/h,工作电流30A)研究院超级电容器的生产厂家国外主要生产厂家：8-1外国生产厂家—德国√生产大、中型，C/有机电解液/C,品种多√电容器模块：电压：14、28、42、56、75V√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、