超级电容器的发展与应用-杨院士-南通江海
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2015.11.13 南通
超级电容器的技术发展 与应用
杨裕生
1
一、电池与超级电容器的融合
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。 •外并——电池与超级电容器并联使用 充电器 电容器 控制 器 充电器 电池
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
—
活 性 炭 氧 化 铅 活 性 炭
例2: 正极NiOOH,负极活性炭
+
例1：正极PbO2,负极活性炭
advanced lead-acid batteries （美国？） — 活 性 炭
水溶液电解质
氧 化 镍
6
+
1、混合型超级电容器（续）
简称混合电容器
例3: 正极活性炭,负极Li4Ti5O12 有机溶液电解质
二、超级电容器的技术发展动向
1、提高比能量
• 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
提高电极的比电容—
新型高比容量碳材料 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
多孔电容炭材料性能要求
1、高比表面 > 1000m2/g 2、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
（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
11
2.1 电容型铅酸电池 ——“铅炭电池”
炭加到入铅酸电池的负极中
9
1、超级电池——铅酸电池铅负极并联炭电极
—
+
PbO2
—
—
+
AC PbO2
Pb
铅酸电池
Pb
活 性 炭
+
PbO2
混合电容器
超级电池 UltraBattery
L.T.Lam & R.Louey J Power Sources 158(2006)1140
10
2、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
13
2.3 电容型镍氢电池
镍氢电池的负极中加入活性炭 — +
氧 化 镍 储氢 合金 + AC
科技日报2010年9月报道 “镍碳超级电容器” 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
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。
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 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
4
超级电容器及其变种
超级电容器
活 性 炭 隔 活 性 膜 炭
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
超级电容器的比能量低
5
1、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
14
小结：超级电容器与电池的变种
分类、名称 超级 超级电容器 电容 混合型超级电容器 器及 变种 混合型电池电容器 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 铅酸- 电池的电极 锂离子 中加入部分 活性炭—— 镍氢- 电容型电池 电极材料举例 负极 正极 活性炭 活性炭 活性炭 氧化铅、镍 钛酸锂；碳 活性炭 钛酸锂 活性炭+锂盐 活性炭电极 PbO2 并联铅电极 铅+活性炭 PbO2 石墨 锂盐+活性炭 AB5+活性炭 NiO 15
— Pb
+
PbO2
—
+
PbO2
AC
铅酸电池 铅炭电池
—
+
PbO2
混合电容器
Pb
+
AC
较超级电池 工艺简单
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ12
2.2 电容型锂离子电池
锂离子电池正极中加入活性炭——活性炭为辅 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 ” 正极：LiFePO4 –加活性炭 ； 负极：碳 磷酸 铁锂 + AC 石 墨
+
②成都有机所
正极：活性炭电极 60-45% 加15-30% LiMn2O4 负极：Li4Ti5O12 4C恒电流下：14.47Wh/kg，5000次衰减<8%
Xuebo Hu et.al J PowerSources187(2009)635
8
活性炭 + 锂盐
钛 酸 锂
电池添加活性炭的变种
电池中的电极与活性炭电极并联 电池的电极中混入少部分活性炭 ——电容型电池
2
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。
电容器与电池的“外并”改“内并”
超级电容器中融合电池材料，比能量有所提高 电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命
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
3
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。
— 钛 酸 锂
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4: 正极活性炭,负极能嵌锂的碳(江海)
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
7
+
活 性 炭
2、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 ——活性炭仍为主 ①国外报道 A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160 正极：活性炭电极 加少部分 LiCoO2 — 负极：Li4Ti5O12
超级电容器的技术发展 与应用
杨裕生
1
一、电池与超级电容器的融合
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。 •外并——电池与超级电容器并联使用 充电器 电容器 控制 器 充电器 电池
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
—
活 性 炭 氧 化 铅 活 性 炭
例2: 正极NiOOH,负极活性炭
+
例1：正极PbO2,负极活性炭
advanced lead-acid batteries （美国？） — 活 性 炭
水溶液电解质
氧 化 镍
6
+
1、混合型超级电容器（续）
简称混合电容器
例3: 正极活性炭,负极Li4Ti5O12 有机溶液电解质
二、超级电容器的技术发展动向
1、提高比能量
• 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
提高电极的比电容—
新型高比容量碳材料 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
多孔电容炭材料性能要求
1、高比表面 > 1000m2/g 2、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
（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
11
2.1 电容型铅酸电池 ——“铅炭电池”
炭加到入铅酸电池的负极中
9
1、超级电池——铅酸电池铅负极并联炭电极
—
+
PbO2
—
—
+
AC PbO2
Pb
铅酸电池
Pb
活 性 炭
+
PbO2
混合电容器
超级电池 UltraBattery
L.T.Lam & R.Louey J Power Sources 158(2006)1140
10
2、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
13
2.3 电容型镍氢电池
镍氢电池的负极中加入活性炭 — +
氧 化 镍 储氢 合金 + AC
科技日报2010年9月报道 “镍碳超级电容器” 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
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。
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 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
4
超级电容器及其变种
超级电容器
活 性 炭 隔 活 性 膜 炭
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
超级电容器的比能量低
5
1、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
14
小结：超级电容器与电池的变种
分类、名称 超级 超级电容器 电容 混合型超级电容器 器及 变种 混合型电池电容器 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 铅酸- 电池的电极 锂离子 中加入部分 活性炭—— 镍氢- 电容型电池 电极材料举例 负极 正极 活性炭 活性炭 活性炭 氧化铅、镍 钛酸锂；碳 活性炭 钛酸锂 活性炭+锂盐 活性炭电极 PbO2 并联铅电极 铅+活性炭 PbO2 石墨 锂盐+活性炭 AB5+活性炭 NiO 15
— Pb
+
PbO2
—
+
PbO2
AC
铅酸电池 铅炭电池
—
+
PbO2
混合电容器
Pb
+
AC
较超级电池 工艺简单
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ12
2.2 电容型锂离子电池
锂离子电池正极中加入活性炭——活性炭为辅 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 ” 正极：LiFePO4 –加活性炭 ； 负极：碳 磷酸 铁锂 + AC 石 墨
+
②成都有机所
正极：活性炭电极 60-45% 加15-30% LiMn2O4 负极：Li4Ti5O12 4C恒电流下：14.47Wh/kg，5000次衰减<8%
Xuebo Hu et.al J PowerSources187(2009)635
8
活性炭 + 锂盐
钛 酸 锂
电池添加活性炭的变种
电池中的电极与活性炭电极并联 电池的电极中混入少部分活性炭 ——电容型电池
2
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。
电容器与电池的“外并”改“内并”
超级电容器中融合电池材料，比能量有所提高 电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命
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
3
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。
— 钛 酸 锂
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4: 正极活性炭,负极能嵌锂的碳(江海)
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
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活 性 炭
2、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 ——活性炭仍为主 ①国外报道 A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160 正极：活性炭电极 加少部分 LiCoO2 — 负极：Li4Ti5O12