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1、,超级电容器,目 录,超级电容器,4,超级电容器的概念,什么是超级电容器？,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。,6,超级电容器的特点,8,超级电容器的分类,9,3-1 双电层电容器,(a) 充电,(b) 放电,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。,放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。,10,3-1 双电层电容器,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
2、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,优点,缺点,11,3-2 法拉第赝电容器,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
3、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。,法拉第赝电容,12,3-2 法拉第赝电容,机理,13,法拉第赝电容的优缺点,3-2 法拉第赝电容器,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。,14,3-3 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
4、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。,定义：,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。,15,3-3 混合型超级电容器,锂离子电容器,结构图,16,3-3 混合型超级电容器,锂离子电容器机理,电解液中的Li+嵌入到石墨层间形成嵌锂石墨，同时，电解液中的阴离子则吸附在活性炭正极表面形成双电层。,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
5、层解离，阴离子从正极表面释放，同时电子从负极通过外电路到达正极。,充电,放电,17,三种超级电容器对比,三种超级电容器的优缺点对比,19,超级电容器的结构,20,超级电容器的结构,超级电容器的结构示意图,21,超级电容器的结构,超级电容器的电极材料,4,22,4-1 超级电容器的电极材料,1.活性炭,优势：,1、成本低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，能达到500F/g，一般为200F/g,性能影响因素：,研究趋势：材料复合，降低成本,23,4-1超级电容器的电极材料,2.碳纳米管,多壁纳米管,优点：高导电率，比功率高，,单壁纳米管,缺点：比表面积小，成本高。,因此一
6、般作为添加剂使用,24,4-1 超级电容器的电极材料,3.碳气凝胶,碳气凝胶制备方法：,无水凝胶,液体CO2置换,超临界干燥,气凝胶,炭化,碳气凝胶,优点：电子导电性好,缺点：制备工艺复杂 所用药品毒性较大,25,4-1 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。,什么是石墨烯？,26,4-1 超级电容器的电极材料,4.石墨烯,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
7、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。,什么是石墨烯超级电容器？,27,4-1 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,大功率,具有非常高的电导率104106S/m,非常大的比表面积2675 m2/g,超大的杨氏模量1TPa,超强的断裂强度130GPa,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。,快速充放电,循环稳定性强,价格较贵，5000元/g,优点,缺点,28,4-1 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,更能有效发挥石墨烯片层的
8、双电层作用,新型设计,传统设计,层层堆叠阻碍石墨烯片层的双电层作用的发挥,石墨烯电极结构设计,石墨烯上生长纳米晶体Ni(OH)2,比电容高达1335 Fg-1, 并具有良好的电容保持特性,石墨烯上生长聚吡咯,电化学沉积聚吡咯，比电容高达1510 Fg-1, 面积比电容为151 mF cm2,石墨烯/赝电容材料复合电极,4-1 超级电容器的电极材料,4.石墨烯,30,4-1 超级电容器的电极材料,4.石墨烯,层次化聚苯胺纳米线/石墨烯,石墨烯/赝电容材料复合电极,a）,b）,RuO 2纳米粒子/石墨烯,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,4-1 超级电容器的电极
9、材料,法拉第赝电容对金属化合物的要求,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,贵金属,廉价金属,导电聚合物,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。,2.添加W、Gr、Mo、V、Ti等的氧化物,（1）降低成本,（2）复合后性能提高,1. MnO2材料,溶胶凝胶法制得的MnO2水合物在KOH溶液中的比容量为689F/g,2. NiO材料,溶胶凝胶法制得的多孔NiO比容量为265F/g,3. 多孔V2O5水合物比容量为350F/g）（在KCl溶液中）,4. Co3O4干
10、凝胶,1. 研究情况,聚苯胺、聚对苯、聚吡咯、聚并苯、聚噻吩、聚乙炔、聚亚安酯等,2. 性能特点,可快速充放电、温度范围宽、不污染环境,3. 存在的问题,（1）稳定性差,（2）循环性能较差,WO3/RuO2比容量高达560F/g,Ru1-xGrxO2比容量高达840F/g,4-1 超级电容器的电极材料,导电剂、粘结剂和集流体,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,性能要求,电解液,4-2 超级电容器的电解液
11、,碱性电解液(KOH等)。,四氟硼酸甲基三乙基铵(MeEt3NBF4),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),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,有机系超级电容器的优缺点,4-2 超级电容器的电解液,水系超级电容器的优缺点,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,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）,日
12、本高度纸业(NKK公司),超级电容器的制作工艺,软包超级电容器制作工艺流程图,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,超级电容器的性能指标,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，
13、造成不可修复的永久损坏。,额定电流,5秒内放电到额定电压一半的电流。,功率密度,单位质量的输出功率。P=V2/(4m*RESR) （V为超级电容器的工作电压窗口，m为活性材料的质量，RESR为等效串联电阻）,超级电容器的性能指标,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
14、，这同样是由电容的结构决定的。,自放电,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）。,超级电容器的性能指标,循环寿命,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。,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
15、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。,超级电容器的应用,公用电器、工业及医疗电器：（用作小功率器件的电源）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、电动工具网络通讯：（中型模组、模块、工作时间不是很长的、瞬间工作的）电脑、电
16、话、手机、信息终端、通讯站、GPS、电力数据传输风光发电：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、车载监控后备电源：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、卷帘门、与电池配套电源、断电保护能量回收：吊车、矿井、机车、电梯、抽油机军工：战斗机、军车、坦克、雷达、精准炮弹、激光炮、电磁炮、警棍,7-1 电动/混合动力城市客车,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,
17、 市内公交车, 机场等每辆车用8 - 12 只 48V 模块延长电池寿命提供大电流放电及停刹车能量回收,7-2 太阳能领域的应用,太阳能道钉灯,太阳能地砖灯,太阳能交通警示灯,太阳能浮标灯,太阳能光伏产品种类很多，适合使用超级电容器的有,太阳能电池太阳能电能,夜间太阳能灯照明,7-3 玩具,7-4 IT产品,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(90240秒)充饱一次电可以使用60240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;
18、 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 24.9 inches自动安装，无需额外驱动程序,无线手写板,SSD 固态硬盘,Feature of Enterprise model designSDRAM to cache FAT + Data. Need Power backup to flush to NAND,7-5 应急照明储能系统,为了确保应急照明灯具有节电、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灯LED。采用LED灯后，节约了大量的电能，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
19、，确保了应急照明灯的超长寿命和免维护、可靠性强灯特性。超级电容取代锂电池, 免维护, 免换电, 寿命特长.超高可靠性不會擔心電池實效失去電源适合應用在要求較高場合提供全整方案.,7-6 电动工具,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37只螺丝但充电时间为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.50万次充放电寿命, 没有电池般记忆效应, 一辈子不用更换电池.,Coleman Flashcell Screwdriver ($80) this ultraca
20、pacitor-powered cordless screwdriver can be recharged in just 90 seconds, and its “battery” will last a lifetime.,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.电容器有快速充电特性,充电的电源范围0-52V,可以充分吸收 短时间隙的强大风能,及微小风能太阳能条件下的能量.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%.,将剧烈波动的能量变成较平滑的能量输入,7-8 风光储新能源上网系统,DVR (动态无功补偿 ),-40o
21、C冷储存新能源延长蓄电池寿命,7-9 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。由电容所提供的大脉冲能量约为200-360J，单方向通过电极的全部电流加到病人身上。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 。,PaceMaker 心脏起搏器, 用超级电容加小马达充电,永久不用更换电池.,7-10 电动自行车,+,安装于电动自行车上与24V铅酸电池
22、并联使用10 只2.7V 220F超级电容最高电压27V重量非常轻: 38克/电容冷起动: -40oC快速充电: 2分钟内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, 环保超级电容: 充放电寿命为50万次,7-11 电梯,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,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,应急电源,7-12 航空航天,为开启门提供爆发动力，16 x 56F UCs使用寿命25年，140,000飞行小时已经通过空中客车公司资质证明，于2004年测试已交付多于100k 100F产品设计变成140F
23、产品每个A380上紧急启动16个门，2个长期使用的登机门，14个应急门。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滑道必须在紧急情况被需要的时候膨胀工作峰值负载60A待机时间8小时，（要求低自放电）可预测的充电级别，充电状态持续监视门控制器冗余电源限制质量和体积,能量存储系统: 独立的工作方式或设计在车辆能量系统中,Time t1 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
24、使用成本,H,H,H,独立工作方式,能量存储系统,7-13 轻轨和地铁能量回收系统,7-14 码头/货柜吊机,柴油发动机与超级电容结合使用外形尺上减小一半由超级电容提供峰值功率能量自动补充减少维护成本,7-15 电动汽车,(1.6L/100km),为电机启动提供强大的启动力矩吸收马达制动过程中产生的能量保护蓄电池过放电，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、充放电次数高、循环寿命长、工作温度区域宽；适合频繁加速和减速的城市交通工况。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，
25、合理地进行能量分配。,7-16 电动游览车,技术参数：电机输出功率：5.0kW充电器配置：150A/90V超级电容器组件：组件构成：180只单体。组件额定电压：90V组件工作电压区间：90V-55V 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 ）,超级电容器的生产厂家,国外主要生产厂家：,德 国 EPCOS AG 韩 国 Ness cap 美 国 Maxwell, Cooper Industries 俄罗斯 ESMA, ACOND 日 本 Nippon chemi
26、-Con, Elna , NEC-Tokin, Matsushita Elecronic Components,Ltd,8-1 外国生产厂家德国,EPCOS AG,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：5F5000F 电容器模块：电压：14、28、42、56、75V 电容：3.3F600F 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,8-2 外国生产厂家韩国,Ness cap,生产大、中型， C/有机电
27、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：4.1 wh/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,8-3 外国生产厂家美国,Maxwell,美国主要的超级电容器生产商，生产大、中型 ， C/有机电解液 /C PC(Powercache)系列：单体电压：2.5 方型 电容：42500 BCAP系列：单体电压：2.5 圆柱型 电容：82600， 主要用途: 中型主要用于计算机和通讯系统
28、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,8-3 外国生产厂家美国,Cooper industries,生产中、小型, C/有机电解液 /C 商标号：Powerstor， 有四个系列产品A、B、F 超级电容器：电压：2.5V、3.6V、5V 、12V 、24V 电容：0.22F50F 产品特点:电极材料碳气凝胶。内阻小，能提供高功率充放电。 主要用途 :电子设备的信息存储，移动通讯等,8-4 外国生产厂家俄罗斯,ESMA,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
29、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,8-5 外国生产厂家日本,Elna,生产中、小型, C/有机电解液/C 商标号：Dynacap 电容器：电压：2.56.3V 电容：0.47F100F产品特点及主要用途 : 鼓型、扭扣型容量小、内阻大，主要用于存储器的后备电源；圆柱型的容量较大、内阻小，可用作电子设备的高功率放电。,8-5 外国生产厂家日本,Nippon chemi-con,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：300F3000F 有方型和圆柱型 电容器模块：电压：5
30、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,8-5 外国生产厂家日本,Matsushita,生产中、小型 ,C/有机电解液 /C 有8个系列产品SD 、SG、 SE、 NF、F 、EL 、EN 、HW、 超级电容器：电压：2.3V、2.5V、3.3V、5.5V电容：0.022F50 F,8-5 外国生产厂家日本,NEC-Tokin,生产小型, C/有机电解液/C ，电容0.0471F品种繁多 有FC、FM、FG、FY、FR、FS、FT、 FA、FEHP、HV、ED/C等十二个系列 以5.5V、0.0471F电容器为主要产品 产品特点和用途：内阻大，漏电小，储存寿命长。用作存储器的后备电源。,国内主要生产厂家,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：,超级电容器的生产厂家,详细内容参照邴雪峰博士的那份超级电容器行业调查报告,谢 谢,
