《动力电池及管理技术》课件-任务五 超级电容器技术分析

项目四其他电池任务五超级电容器技术分析《动力电池及管理技术》能力目标1.能说出超级电容器的优点。2.能指出超级电容器当前的应用及在应用中存

在的问题。素质目标通过学习探索新型动

力电池技术，

引导学

生积极思考未来新能

源汽车动力供能方式的多种可能性，

培养

创新意识。知识目标1.熟悉超级电容器的结构。2.知道超级电容器的储

能原理。任务描述超级电容器也是一种物理电池，它的输入和输出均是电能

。

什么是超级电容器？

超级电容器的结构和原理是怎样的？

具有哪些优点？

是什么原因导致超级电容器还没有大

规模的应用呢？

带着问题我们一起进入下面的学习吧。任务引入超级电容又叫双电层电容器（

Electrical

Double

-LayerCapacitor）

,是一种新型储能装置

，

是介于传统电容与电池之

间的电源元件

，

如右图所示

。

其主

要依靠双电层和氧化还原假电容电

荷储存电能

，

期间不发生化学反应，

因此被归为物理电池的范畴

。

”一、超级电容器的工作原理普通电容器是由两个彼此绝缘且相互平行的金属板组成

，

在两块金属板之间用绝缘材料隔离

。

电容的计量单位为

“

法拉

”

(

F)

，

电容器的容量只取决于

电容极板的正对面积

，

与面积的大小成正比

，

而与电容板的厚度无关

。

另外，

电容器的电容量还与电容板间的间隙大小成反比

。

普通电容器的容值很小，一般为毫法（

mF）

或微法(μF)数量级。式中ε——绝缘介质的介电常数(F／m)；S——电极表面积(m2)；d——电容器间隙的距离(m)。εSc

=

d

一、超级电容器的工作原理其中U为电容极板间的电压降

，

可见,若想要电容能储存更多的能量,必须增大面积S或减少

介质厚度d

，

或提高极板间的电

压

，

但这个提高空间是有限的

，

导致普通电容的电荷储存量和能

量储存量都较小。普通电容器中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,

电容器极板上所储存的电量q与电压成正比

，

所储存的能量如下公式所示。cU

E

=

22一、超级电容器的工作原理1、双电层超级电容器的工作原理双电层电容是在电极／溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生电场的。

对于一个电极/溶液体系

，会在电子导电的电极和离子导电的

电解质溶液界面上形成双电层。

当在两个电极上施加电场后

，溶液中的阴、

阳

离子分别向正、

负极迁移

，在电极表明形成双电层；

撤销电场后

，

电极上的正

负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定

，在正负极之间产生相

对稳定的电位差。一、超级电容器的工作原理这时对某一电极而言

，会在一定距离内（分散层）

产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷

，使其保持电中性；

当将两极与外电路连通时

，

电极上的电荷迁

移而在外电路产生电流

，溶液中的离子迁移到溶液中成电中性

，这便是双电层

电容器的充放电原理。

如下图所示

，根据双电层理论

，双电层的微分电容约为

20μF/cm2,采用具有很大比表面积的碳材料可获得较大的容量。

双电层电容器

具有响应速度快、

放电倍率高的特点

，但储能比电容较小。一、超级电容器的工作原理1

电解质

，

2

隔离膜

，

3电极

，

4

负载双电层超级电容器的工作原理一、超级电容器的工作原理超级电容的电极多为多孔碳基材料

，该材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达几千平方米

，

吸附面积大

，

静电储存多。

在相对的两个碳多孔电极之间充填电解质溶液,当外加电压加到超级电容器的两个极板上时

，极板的正电极存储正电荷

，负极板存储负电荷

，

而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷

，

以平衡电解液的内电场

，从而形成两个集电层

，把这种电荷分布层称之为双电层

，整个电容器相当于两个电容串联

，如下图所示。一、超级电容器的工作原理而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1纳米（

nm

）

，

这样巨大的表面积加上电荷间极小的距离

，

使得这种电容具有很大的容量

，

大多数超级电容器可以做到法拉级

，

一般情况下容值范围可达1

-

5000F

，

因此称为超级电容器

，

利用这种电容器进行大电量的储能成为可能

。

在实际使用过程中

，

还可以通过串联或者并联的结构来提高输出电压或电流。一、超级电容器的工作原理对法拉第准电容来说，

它的电荷储存过程包括双电层上的存储和由于氧化还原反应电解液中

离子在电极活性物质中将电荷储存于电极中这

两部分

。

在电极表面会发生法拉第赝电容，

这

与双电层电容器电荷存储机制是完全不同的，其中一个原因是电荷存储是一个法拉第过程，另一个原因是赝电容的出现还与其他因素有关，这些关系可能源于电极接受电荷的程度(Δq

)和电势变化(ΔV)之间的热力学因素。2

、

法拉第准电容器的工作原理法拉第准电容器是在双电层电容器后发展起来的，

有人将其简称为准电容

。

这种电容电场的产生是因为电极活性物质在其表面或者体相中的二维或者准二维空间上，

进行了欠电位的沉积作用，

而发生了化学吸脱附或是氧化还原反应。一、超级电容器的工作原理化学吸－脱附机制的过程一般为：电解液中的H+或OH

-离子（

一般为

这两种）

会在外加电场的作用下

，

从溶

液中迁移到电极材料表面

，

然后通过电

极－电解液的界面电化学作用进入到电

极活性物质的体相中

。

当对其充电时

，

法拉第准电容器原理如图所示。一、超级电容器的工作原理1

、

根据原理可分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器两大类。超级电容器是一种新型电双电层型超级电容器是将一对电极浸在电解质溶液中，池，

可以从结构

、

材料、在外加电场的作用下，

在电极表面与电解质接触的界面性能等多方面进行分类。电荷会重新分布

、

排列，

最终在电极表面形成一个电荷目前，

主要根据超级电容数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的对垒界器的原理和所使用的电解面层，

这两个相对的电荷层就相当于平行板电容器的两质来进行分类。个平板

。

双电层电容器的能量是以静电荷的形式储存在电极

-

电解质的表面

。

常见的双电层材料主要是各种碳类材料如活性炭

、

碳纤维

、

碳纳米管和石墨烯等。二、超级电容器的分类赝电容型超级电容器常用金属氧化物和导电聚合物作电极材料。其原理是在充放电过程中发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，

电极中可以储存和释放大量的电荷，

电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化

，呈现出电容特征。这一类型超级电容器能量密度较高

，但目前多数处于研究阶段

，应用较少。二、超级电容器的分类有机电解质

一般选择高氯酸锂为主的锂盐

、

TEA

BF

4

为主的季胺盐等作为电解质，

有时可根据需要添加相应的PC

、

A

CN

、

GB

L

、

TH

L

等作为溶剂，

电解质在

溶剂中接近饱和溶解度。

2

、

根据电解质可分为水性电解质和有机电解质两大类。电解质是指溶于水溶液之后具备导电能力的化合物

。

水性电解质又有酸性

、碱性

、

中性之分，

不同特性电解质的组成也不相同

。

如：

酸性电解质多用3

6%

的H

2

SO

4

水溶液构成；

碱性电解质以水作为溶剂，

由KOH

、

NaOH

等强碱配制而成；中性电解质以水作为溶剂，

通常采用KCl

、

NaCl

等盐配制而成，

多用于作氧化锰电极材料的电解液

。

二、超级电容器的分类超级电容器的结构示如右图所示

。

它通常包含双电极

、

电解液

、

集电极

、

隔膜四个部件。1

、

双电极超级电容器包含一个正极

，

一个负极，它们是用活性炭材料或炭纤维等材料制作成的多孔化电极

，

多孔化的结构使得这种电容器具有很大的表面积

，

因此电

容值可达到普通电容器的1000倍以上。三、超级电容器的结构超级电容器的结构2、

电解液电解液采用碳酸类或乙腈类等有机电解质配制

，

电解质溶液填充在相对的两个多孔炭电极和隔膜分离出来的孔隙之间。

超级电容器就是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。

当在电极两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子

，

而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上

，从而形成双集电层。三、超级电容器的结构3、集电极在超级电容器产品的结构中

，集电极是电容卷芯与金属外壳的连接和固定的桥梁

，

用于扩展电容器外的电流路径

，是超级电容器的重要结构之一

，

多采用铝箔、泡沫镍等材料。

在超级电容器的生产工艺中

，集电极与正负极板之间都需要进行焊接

，焊接的面积尽可能的大

，

而且需要一定的焊接强度

，

目前集电极与金属外壳的连接方法多采用激光焊接或超声波焊接。三、超级电容器的结构4、隔膜位于两个多孔化碳电极之间

，与电极一起完全浸润在电解液中

，具有以下作用和特点

：隔离作用

，可阻止电子传导

，防止正负极间直接接触造成内部短路；极低的面电阻

，能使导电离子通过隔膜中的孔隙在正负极之间迅速传递形成电流

，有效降低大电流充放电时引起电容器发热和输出负载电压下降的现象；

良好的电解液浸润和储存能力；孔隙应尽可能小于电极表面活性物质的最小粒径；在电解液中化学性质稳定

，尺寸稳定

，有一定的机械强度和热稳定性。需要注意的是

，隔膜材料要和超级电容器所用的电极材料和电解液配套，

目前超级电容器所用隔膜大多数是电化学稳定性高、热稳定性好的聚

偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯腈(PAN)。三、超级电容器的结构>输出比功率高>充电速度快

，充电所需时间很短且不会损坏电池>循环使用寿命极长>能量转换效率高>绿色环保>

安全性能好>

工作温度范围宽

，尤其是超低温特性好>

充放电性能好>

工作电压范围宽>

性价比高四、超级电容器的优点>比能量低。

超级电容的比能量只有10-20Wh/kg，

远远低于常规蓄电池100-150Wh/kg。>

电解质易泄漏。

超级电容器如果安装位置不合理

或使用不当时

，容易出现电解质泄漏现象

，使其

结构受到破坏。>

使用电路存在局限性。

内阻较大

，不适合用在交流电路中。>

成本较高。

新型电池

，技术尚不成熟

，

综合成本

较高。五、超级电容器当前存在的问题虽然超级电容器目前还存在一些缺点

，但是超级电容的发展速度非常快

，将超级电容器功率密度大的优点和其它电池能量密度大的特点结合起来

，超级电容

器现在在多个行业已有典型应用。应用于能量充足但功率不大的能源系统

，如太阳能光伏产品、风力发电变桨系统等。需要快速充放电的电动工具等产品。超级电容可以快速充放电

，可以用在一些

需要快速充放电的产品中

，比如电动工具、电动玩具、手电筒等

，可实现充电几秒钟

，就可使用几分钟。六、超级电容器的应用12应用在UPS系统中

，

作为不间断系统的备用电源的补充

，

例如计算机存储器的后备电源或电力行业的后备电源等。应用在轨道交通行业

，

可用于轻轨和地铁的能量供应和回收等。

例如全球首条超级电容储能式现代有轨电车运营线-广州海珠线运行速度24km/h

，

单程7.7km

需要19分种

，

车辆电耗每公里在3度电以下。

据不完全统计

，

目前全球

已有超过60个国家、

300个城市运营现代有轨电车；

国内已有50多个城市开展

了有轨电车的规划、

建设和运营。

国内正在建设的超级电容储能式有轨电车项

目有武汉市大汉阳区有轨电车T1线

，

全长19km

，

已采购超级电容车辆21列；宁波市鄞州区有轨电车示范线

，

全长8km

，

已采购超级电容车辆10列；

东莞市

松山湖华为工业园区线

，

全长5km

，

已采购超级电容车辆5列。六、超级电容器的应用5、应用在重型机械上

，如可用电梯空载能量的回收等。6、应用在汽车行业上。于电梯空载能量的回收等。6、应用在汽车行业上。回收制动能量

。

可对汽车刹车时的能量进行回收并储存在超级电容器中，

当汽车需要

加速或爬坡时，

再将这些储存的能量释放出来，

不但提高了瞬时功率输出也避免浪费

过多的能源。提高汽车的启动性能

。

将超级电容器与蓄电池并联应用

可以在汽车快速启动时提供较大的驱动电流

，

减少了油

耗和不完全燃烧的污染排放

，

提高了汽车的启动性能。六、超级电容器的应用

（

4

）

在电动汽车上独立作为动力设备

。

超级电容器快速充放电的特点使其十分适合为公交车提供动力

，

如图所示我国上海11路公交即为超级电容大巴

，

该公交车利用超级电容比功率大和公共交通定点停车的特点

，

车辆运行中途停靠站时在30

s内快速充电

，

一次充电可行驶5至8公里

，

时速可达44

km/

h，

既节能环保又兼顾城市景观

。（

3

）

在混合动力汽车上作为

一种辅助电源

。

如本田公司的FCX燃料电池

-

超级电容器混合动力汽车是世界上最早实现商品化的燃料电

池轿车。六、超级电