超級電容器2特點3分類2特點3分類1結(jié)構(gòu)7應(yīng)用7應(yīng)用超級電容器的概念超級電容器(supercapacitor)是指相對傳統(tǒng)電容器而言具有更高容量的一種電容器。通過極化電解質(zhì)來儲存能量。超級電容器是介于電容器和電池之間的儲能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電池的儲能特性。+Electrode研究院超級電容器的特點可任意并聯(lián)a增加電容量3.V免維護(hù)，環(huán)保工作溫度范圍寬大電流放電快速充電6研究院超級電容器的分類超級電容器法拉第贗電容器電化學(xué)作用(法拉第反應(yīng))儲能法拉第贗電容器電化學(xué)作用(法拉第反應(yīng))儲能靜電作用(helmholtz雙電層)儲能活性炭碳?xì)饽z碳納米管對稱型電極復(fù)合電極材料導(dǎo)電聚合物石墨烯金屬氧化物導(dǎo)電聚合物混合型超級電容器可充電電池型非對稱型電極可充電電池型贗電容+雙電層電極8雙電層電容原理雙電層電容器雙電層電容原理由于正負(fù)離子在固體電極和電解液之間的表面上分別吸附，造成兩固體電極之間的電勢差，從而實現(xiàn)能量的存儲。充電時，在固體電極上電荷引力的作用下，電解液中的陰陽離子分別聚集在兩個固體電極的表面。放電時，陰陽離子離開固體電極的表面，返回電解液本體。--+--++十-優(yōu)點缺點優(yōu)點缺點雙電層電容的優(yōu)缺點(1)壽命長，能維持?jǐn)?shù)百萬個充電循環(huán)的壽命；(2)每個周期的平均成本低；(3)良好的可逆性；(4)充電和放電率非常高；(5)非常低的內(nèi)部電阻和隨之而來的高周期效率(95%以上)和極低的放熱；(6)高輸出功率；(7)比功率高；(8)使用無腐蝕性的電解質(zhì)和低毒性的材料，提高了安全性；(9)簡單的充電方法，不必進(jìn)行過充檢測，因為沒有過充的可能。(1)一個標(biāo)準(zhǔn)的超級電容器每單位重量儲存的能量一般較低；(2)高自放電率，大大高于電化學(xué)電池；(3)非常低的內(nèi)部電阻允許極快速放電時，容易導(dǎo)致隔膜破裂從而發(fā)生短路。3-2法拉第贗電容器法拉第贗電容法拉第贗電容器也叫法拉第準(zhǔn)電容，是在電極表面活體相中的二維或三維空間上，電極活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。這種電極系統(tǒng)的電壓隨電荷轉(zhuǎn)移的量呈線性變化，表現(xiàn)出電容特征，故稱為“準(zhǔn)電容”,是作為雙電層型電容器的一種補(bǔ)充形式。充電時，電解液中的離子在外加電場的作用下向溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面，而后通過界面的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中；若電極材料是具有較大比表面積的氧化物，就會有相當(dāng)多的這樣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，大量的電荷就被存儲在電極中。放電時這些進(jìn)入氧化物中的離子又會重新回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路釋放出來。十十A3-2法拉第贗電容器法拉第贗電容的優(yōu)缺點法拉第贗電容器優(yōu)點：在電極面積相同的情況下，法拉第贗電容器的比電容是雙電層電容器的10-100倍，同時具有較大的比容量和能量密度。法拉第贗電容器缺點：由于電極反應(yīng)牽涉到了化學(xué)反應(yīng)過程，往往會有不可逆的成分在，所以可逆性和循環(huán)性能相對較差。3-3混合型超級電容器一極采用傳統(tǒng)的電池電極并通過電化學(xué)反應(yīng)來儲存和轉(zhuǎn)化能量，另一極則通過雙電層來儲存能量的一種超級電容器。法拉第贗電容雙電層電容混合型超級電容器是電容器研究的熱點。在超級電容器的充放電過程中正負(fù)極的儲能機(jī)理不同，因此其具有雙電層電容器和電池的雙重特征。混合型超級電容器的充放電速度、功率密度、內(nèi)阻、循環(huán)壽命等性能主要由電池電極決定，同時充放電過程中其電解液體積和電解質(zhì)濃度會發(fā)生改變。法拉第贗電容雙電層電容3-3混合型超級電容器鋰離子電容器結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖3-3混合型超級電容器鋰離子電容器機(jī)理充電充電到石墨層間形成嵌鋰石電解液中的陰離子則吸附在活性炭正極表面形成雙電層。負(fù)極正極電解液石墨結(jié)構(gòu)Li溶劑分子PF。活性炭Li+從負(fù)極材料中脫出回到電解液中，正極活性炭與電解液界面間產(chǎn)生的雙電層解離，陰離負(fù)極正極電解液石墨結(jié)構(gòu)Li溶劑分子PF。活性炭三種超級電容器對比三種超級電容器的優(yōu)缺點對比超級電容器的結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑超級電容器結(jié)構(gòu)超級電容器結(jié)構(gòu)超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖A集流體集流體隔膜隔膜電極材料電解液超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器的電極材料4-1超級電容器的電極材料1、成本低2、比表面積高優(yōu)勢：3、實用性強(qiáng)優(yōu)勢：4、生產(chǎn)制備工藝成熟5、高比容量，能達(dá)到500F/g,一般為200F/g1、炭化、活化條件，高溫處理性能影響因素：2、孔分布情況性能影響因素：3、表面官能團(tuán)4、雜質(zhì)研究趨勢：材料復(fù)合，降低成本4-1超級電容器的電極材料2.碳納米管單壁納米管多壁納米管優(yōu)點：高導(dǎo)電率，比功率高，缺點：比表面積小，成本高。因此一般作為添加劑使用4-1超級電容器的電極材料碳?xì)饽z制備方法：凝膠—→丙酮置換—→無水凝膠炭化←—氣凝膠—超臨界干燥←—液體CO?置換碳?xì)饽z缺點：制備工藝復(fù)雜所用藥品毒性較大4-1超級電容器的電極材料4.石墨烯石墨烯(Graphene)是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體，碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。鉛筆里用的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯疊在一起。4-1超級電容器的電極材料4.石墨烯什么是石墨烯超級電容器?石墨烯超級電容器為基于石墨烯材料的超級電容器的統(tǒng)稱。由于石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)和出色的固有的物理特性，諸如異常高的導(dǎo)電性和大比表面積，石墨烯基材料在超級電容器中的應(yīng)用具有極大的潛力。石墨烯基材料與傳統(tǒng)的電極材料相比，在能量儲存和釋放的過程中，顯示了一些新穎的特征和機(jī)制。4-1超級電容器的電極材料4.石墨烯石墨烯超級電容器的優(yōu)缺點具有非常高的電導(dǎo)率10?~106S/m石墨烯層間易堆積，降低了比表面積，同時也阻礙了電解液進(jìn)入電極表面。價格較貴，5000石墨烯層間易堆積，降低了比表面積，同時也阻礙了電解液進(jìn)入電極表面。價格較貴，5000元/g缺點優(yōu)點循環(huán)穩(wěn)定性強(qiáng)快速充放電優(yōu)點4-1超級電容器的電極材料4.石墨烯超薄平面石墨烯超級電容器新型設(shè)計更能有效發(fā)揮石墨烯片層的雙電層作用傳統(tǒng)設(shè)計層層堆疊阻礙石墨烯超級電容器的電極材料4.石墨烯4.石墨烯>石墨烯上生長納米晶體Ni(OH)?>石墨烯上生長聚吡咯4-1超級電容器的電極材料4.石墨烯石墨烯/贗電容材料復(fù)合電極層次化聚苯胺納米線/石墨烯4-1超級電容器的電極材料4.石墨烯4.石墨烯石墨烯/贗電容材料復(fù)合電極Ru02納米粒子/石墨烯a)AsProparedGraphene二b)DispersionofGraphenec)FormationofRutheniumHydroxideFigure1.ThepreparationofROGSCsby一■-ROGSCs04-1超級電容器的電極材料法拉第贗電容對金屬化合物的要求高比表面—高比容量高比表面—高比容量低電阻率—高比功率低電阻率—高比功率化學(xué)穩(wěn)定性—長壽命化學(xué)穩(wěn)定性—長壽命高純度—減少自放電高純度—減少自放電價格低—便于推廣使用價格低—便于推廣使用4-1超級電容器的電極材料三種主要的贗電容器電極材料1.貴金屬RuO?電容性能的研究(1)使用硫酸作為電解液，容量高，功率大，成本高。(2)熱分解氧化法比容量為380F/g,溶膠凝膠法為768F/g。氧化物(1)降低成本(2)復(fù)合后性能提高>WO?/RuO?比容量高達(dá)560F/g>Ru?GrxO?比容量高達(dá)840F/g溶膠凝膠法制得的MnO?水合物在KOH溶液中的比容量為689F/g1.研究情況2.性能特點溶膠凝膠法制得的多孔可快速充放電、溫度范圍NiO比容量為265F/g寬、不污染環(huán)境3.多孔V?O?水合物比容3.存在的問題液中)(1)穩(wěn)定性差4.Co?0?干凝膠(2)循環(huán)性能較差4-1超級電容器的電極材料導(dǎo)電劑：導(dǎo)電炭黑、乙炔黑和導(dǎo)電石墨。粘結(jié)劑：羧甲基纖維素鈉(CMC)、羧基丁苯膠乳(SBR)和聚偏氟乙烯(PVDF)。集流體：鈦材料(酸性電解液)、鎳材料(堿性電解液)和鋁材料(有機(jī)/離子電解液)。4-2超級電容器的電解液分解極反應(yīng)電解液純度高性能要求4-2超級電容器的電解液按照電解液的類型可以分為水系電解液和有機(jī)系電解液水系電解液中性電解液(NaSO?等)酸性電解液(H?SO?等)有機(jī)/離子電解液四氟硼酸四乙基銨(Et?NBF?)四氟硼酸甲基三乙基銨(MeEt?NBF?)4-2超級電容器的電解液有機(jī)系超級電容器和水系超級電容器的特性對比4-2超級電容器的電解液4-2超級電容器的電解液4-3超級電容器的隔膜日本高度紙業(yè)(NKK公司)和美國Celgard公司日本高度紙業(yè)(NKK公司)1.用于小型超級電容器的無紡布隔膜(扣式)2.用于大型超級電容器的纖維素隔膜(卷繞式或疊層式)研究院超級電容器的制作工藝軟包超級電容器制作工藝流程圖涂膜機(jī)輥壓輥壓機(jī)模切超聲波極耳熱平壓機(jī)熱平壓機(jī)測試測試注液機(jī)折邊真空折邊機(jī)真空靜置箱真空預(yù)封機(jī)超級電容器的制作工藝圓柱形超級電容器制作工藝流程圖輥壓輥壓機(jī)涂膜機(jī)輥壓輥壓機(jī)涂膜機(jī)卷繞手動卷繞機(jī)卷繞手動卷繞機(jī)金屬點焊機(jī)熱平壓機(jī)熱平壓機(jī)測試測試注液機(jī)折邊真空靜置箱真空預(yù)封機(jī)研究院超級電容器的性能指標(biāo)自放電自放電超級電容器的性能指標(biāo)額定容量以規(guī)定的恒定電流(如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A,200F以下的為3A)充電到額定電壓后保持2-3分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以額定電壓值。額定容量額定電壓可使用的最高安全電壓。在最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度下可連續(xù)加在電容器的最高直流電壓有效值，一般直接標(biāo)注在電容器外殼上(如2.3V、2.5V、2.7V),如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器擊穿，造成不可修復(fù)的永久損壞。額定電壓額定電流額定電流超級電容器的性能指標(biāo)能量密度單位質(zhì)量活性材料的能量，E=0.5CV2(C為活性材料的比容量，V為超級電容器的工作電壓窗口)。能量密度自放電自放電與自漏電本質(zhì)上是一樣的，針對超級電容器的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在電容內(nèi)部是正極和負(fù)極之間有一條高阻電流通道，這就是意味著在電容充電的時候，同時會有一個額外的附加電流，當(dāng)在充電是時候，我們可以將此電流當(dāng)成漏電流；當(dāng)移去充電電壓后，同時電容沒有連接負(fù)載，這個電流使電容處于放電狀態(tài)，此時我們將此電流看成自放電電流。為了可靠地測量漏電流或者放電電流，電容必須被連續(xù)充電72小時以上，這同樣是由電容的結(jié)構(gòu)決定的。自放電超級電容器的性能指標(biāo)等效串聯(lián)電阻電容器的實際電流與電壓的周期性變化不取決于頻率，而是超出了90度的相角關(guān)系。這是因為阻抗是由電容與電阻結(jié)合，使得低于90度的相角增大，且與頻率相關(guān)。其電阻成分表示為等效串聯(lián)電阻，包括電解質(zhì)電阻和接觸電阻。等效串聯(lián)電阻可以通過交流阻抗技術(shù)(EIS)測量，即是一種以小振幅的正弦波電壓(或電流)為擾動信號，測定其響應(yīng)電流(或電壓)信號的電化學(xué)測量方法，為電化學(xué)暫態(tài)技術(shù)。等效串聯(lián)電阻20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇時間：10秒為一個循環(huán)。一般可達(dá)500000次。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為電容量低于額定容量20%,等效串聯(lián)電阻增大到額定值的1.5倍。循環(huán)壽命通過恒電流充放電測試，根據(jù)恒流充放電曲線可計算出比容量，由此可得到比容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。研究院超級電容器的應(yīng)用公用電器、工業(yè)及醫(yī)療電器：稅控機(jī)、控制器(溫度控制器)、觸摸屏、攝像頭、掃描儀、投影儀、考勤鐘、計數(shù)器、顯示屏、彩票機(jī)、銀行終端、公汽讀卡器、身份識別、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、X光機(jī)、磁共振、道釘機(jī)、電焊機(jī)、皮帶機(jī)、激光器、礦燈、工業(yè)儀表、雷管、電動工具風(fēng)光發(fā)電：風(fēng)力發(fā)電、變漿、接收轉(zhuǎn)換、太陽能發(fā)電(儲能)、太陽能燈(警示燈、標(biāo)識燈、道釘燈、地埋燈)、太陽能手電交通工具：摩托車啟動、機(jī)車啟動、電動汽車輔助動力、汽車啟動、電動自行車輔助動力、汽車音響、后備電源：開關(guān)柜、直流屏、負(fù)荷調(diào)整電源、故障定位、變頻器、脈沖電源、應(yīng)急燈、救生繩、報警器能量回收：戰(zhàn)斗機(jī)、軍車、坦克、雷達(dá)、精準(zhǔn)炮彈、激光炮、電磁炮、警棍·提高混合電力、燃料電池的動力效率·電容用于大量“停走”,加速期間或爬山時·適用于觀光車，市內(nèi)公交車，機(jī)場等·提供大電流放電及停剎車能量回收1MOT2.7-2太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用太陽能光伏產(chǎn)品種類很多，適合使用超級電容器的有太陽能電池太陽能太陽能電池太陽能→電能超級電容器太陽能燈照明無線節(jié)能鼠標(biāo).免用電池，無廢電池污染問題.采用超級電容，充電迅速(90~240秒).充飽一次電可以使用60~240分鐘.充放電次數(shù)>500,000次.使用27.042MHz免認(rèn)證無線頻段.256組隨機(jī)隨機(jī)數(shù)配對碼.采用磁性連接充電，方便迅速對位.充電電力供應(yīng)使用一般USB(5V/500mA)埠.有效傳送范圍；約3尺(1米).每秒擷取圖像1,700次.每秒位傳輸速度4.8k(bps).分辨率800/1000cpi,每秒最高位移7-4IT產(chǎn)品RR7-5應(yīng)急照明儲能系統(tǒng)高亮度、長壽命和不間斷性，采用由直流電源供電的半導(dǎo)體照明能，維修費用，同時也確保了照明質(zhì)量。采用超級電容器作為儲能元件，確保了應(yīng)急照明燈的超長壽命和免維護(hù)、可靠性強(qiáng)燈特免換電，壽命特長.充電控制7珠白光UC放電電路開關(guān)充電控制7珠白光UC放電電路開關(guān)市電場合場合無繩電動螺絲刀-充電90秒·產(chǎn)品主要針對不長用業(yè)余用家，但需要快速電及突然大量使用·充滿可安裝22只螺絲，用電池可安裝3·但充電時間為90秒，電池需要30分鐘以上.如果需要安裝100只螺絲，要等電池充電，超級電容可不斷快速充電.換電池.7-7再生能源—削峰填谷·引入超級電容器使系統(tǒng)具有夠大的過載能力.分吸收短時間隙的強(qiáng)大風(fēng)能，及微小風(fēng)能/太陽能條.充電及控制器保證系統(tǒng)在微風(fēng)的條件吸收的能量在低壓情況下向蓄電池充電.·充電效率高達(dá)85%.7-8風(fēng)光儲新能源上網(wǎng)系統(tǒng)國家電網(wǎng)中國2010牽上席營博音堂球查作快伴-40C7-9醫(yī)療器械●便攜電源超級電容器可以作為便攜式除顫器的放電電容。用超級電容加小馬達(dá)充·由電容所提供的大脈沖能量約為200-360用超級電容加小馬達(dá)充·發(fā)達(dá)國家的一些公共場合開始采用便攜式除顫器，這樣可以盡早地挽救生命。·其中的儲能電容器以采用超級電容器為最佳方案，如400J儲能僅需25F即可，即使按100F計算，其體積也僅僅為中25*45mm。·由于超級電容器的電壓很低，可以使用超級電容模組或用功率變換器將電壓提高到需要的水平。7-10電動自行車·腳踏和滑行能量回收效率為90%.電池只有30%.·延長電池壽命達(dá)一倍，環(huán)保十應(yīng)急電源1)用于到達(dá)下一層2)用于打開門3)用于呼叫和照明系統(tǒng)分布式電源1)重型門2)修理時期動力供給3)動力平衡4)減少電梯系統(tǒng)電纜7-12航空航天Airbus空中客車公司已證明的解決方案。·在地面上，正常操作和緊急操作時，門必須被打開·在飛行時，門必須被關(guān)上并鎖緊·可預(yù)測的充電級別，充電狀態(tài)持續(xù)監(jiān)視7-13輕軌和地鐵能量回收系統(tǒng)能量存儲系統(tǒng)：獨立的工作方式或設(shè)計在車輛能量系統(tǒng)中Timet1車輛制動時能量存儲系統(tǒng)會將制動時產(chǎn)生的能量儲存起來TimeTimet1車輛制動時能量存儲系統(tǒng)會將制動時產(chǎn)生的能量儲存起來應(yīng)用：車輛加速時，分時傳遞制動時產(chǎn)生的能量方案：可采用獨立工作方式，也可設(shè)計在車輛本身的能量系統(tǒng)中優(yōu)點：通過減少主能源的消耗從而降低實際使用成本獨立工作方式能量存儲系統(tǒng)7-14碼頭/貨柜吊機(jī)·柴油發(fā)動機(jī)與超級電容結(jié)合使用·由超級電容提供峰值功率提高電動機(jī)車性能，如加速、制動等EQ\*jc3\*hps48\o\al(\s\up1(·),·)保護(hù)蓄電池過放電，延長使用壽命提高電動機(jī)車性能，如加速、制動等·超級電容器能在短時間內(nèi)提供和吸收大的功率，而且能量回收率高、充放電次超級電容器價格相對電池要便宜，適合低成本方案超級電容器價格相對電池要便宜，適合低成本方案盡管超級電容器比能量較低，但是可以通過控制策略的研究，合理地進(jìn)行能量分配。Humidfierunit技術(shù)參數(shù)：●超級電容器組件：·組件構(gòu)成：180只單體。7-16電動游覽車●組件額定電壓：90V基本使用工況：·100%充電時間：≤10分鐘，其后需恒壓充電5分鐘·100%充放電循環(huán)壽命：≥50000次·續(xù)駛里程：20km(100%充電后，時速30km/h,工作電流30A)研究院超級電容器的生產(chǎn)廠家國外主要生產(chǎn)廠家：8-1外國生產(chǎn)廠家—德國√生產(chǎn)大、中型，C/有機(jī)電解液/C,品種多√電容器模塊：電壓：14、28、42、56、75V√產(chǎn)品特點：電極工藝活性炭涂布電極和活性炭纖維電極。內(nèi)阻低、功率密度大；循環(huán)壽命50萬次。√主要用途：自動儀表、數(shù)碼相機(jī)；電動車、起重機(jī)、叉車、升降機(jī)、