第七章-超级电容器储能技术
超级电容器
电极材料
电极材料是影响超级电容器性能的重要因素。 为了进一步提高超级电容器的容量和循环寿命，最主要的 是开发新的高比容量，高比功率的电极材料。 超级电容器的电极材料可以分为以下几类:炭电极材料， 金属氧化物电极材料，导电聚合物电极材料，复合电极材 料。
碳电极材料
目前已经开发用在双电层电容器上的碳材料有:活性炭 粉末、活性碳纤维、碳纳米管、膨胀性石墨、碳气凝胶、 炭黑和石墨烯等。 炭材料的性质中最为关键的几个影响因素为炭材料的表 面积和粒径分布，炭材料的电学稳定性，炭材料的导电 率。
在沿海岛屿、边远山区，地广人稀的草原牧场等地方， 风能和太阳能可作为解决生产和生活能源的一种可靠 途径。然而，这些能源还不能稳定地供给。将超级电 容器与风力发电装置或太阳能电池组成混合电源，超 级电容器在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能 量以电能的形式存储起来，在夜晚或风力较弱时放电， 可解决上述问题。
超级电容器还可用作汽车的主电源。
（4）工业领域
超级电容器在工业不间断电源(UPs)、安全预防 设备以及仪器仪表等方面得到广泛应用。
（5）消费电子领域
使用超级电容器做为储能元件的手电筒，充电只 需90秒，循环寿命可达50万次，可使用约135年。电 子玩具常要求瞬时大电流，而电池无法提供，使用超 级电容器作为电源不仅可以解决这个问题，还可以降 低使用成本、减轻质量。一种自动的切管工具用于替 代一种己经有十年历史的旧式手持切管设备。考虑实 际应用，要求能提供瞬间高功率及长寿命，并且要求 快速充电，一次充电能满足100次的切割工作，超级 电容器与电池混联后能使产品满足应用的需求。
超级电容器的研究及应用现状
美国、日本、韩国、俄罗斯、德国等国研究超级 电容器起步较早，技术相对比较成熟。
论超级电容器的原理及应用
论超级电容器的原理及应用摘要：超级电容器属于储能装置的一种晋级版，其凭借着自身使用寿命长、功率密度高、充电迅速、使用温度宽等优点而被广泛应用。
在本案，笔者就超级电容器的原理及应用为主要研究对象，探析了超级电容器的分类、原理、特点及应用。
关键字：超级电容器赝电容器原理特点及应用超级电容器的开展始于上个世纪70年代-80年代，其为一种介于传统电容器与电池间的新型储能器件。
相对于传统电容器，超级电容器具备电容量大〔为2000-6000倍同体积电解电容器〕、功率密度高〔为10-100倍电池〕、充放电电流量大、充放电循环次数高〔大于105次〕、充放电效率高、免维修等优点。
在本案，笔者以超级电容器为研究对象，探析其原理、应用领域及应用效果。
一、超级电容器分类就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。
就电能机理而言，超级电容器可划分为双电层电容器〔电容产活力理为以电解液及电极上的电荷别离为根底双电层电容〕、法拉第准电容(组成成分为贵金属氧化物及贵金属电极；电容产活力理为以电活性离子于贵金属电极外表欠电位沉积现象或于贵金属氧化物电极体相及外表因氧化复原反响为根据的吸附电容。
与双电层电容相比较，吸附电容完全不一样，此外，吸附电容的比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。
就超级电容器电极上的反响情况及构造而言，超级电容器可划分为非对称型及对称型。
对称型超级电容器即为两个电极反响一样、组成一样、反响方向相反，例如贵金属氧化物、碳电极双电层电容器等。
非对称型超级电容器即为两个电极反响不同、电极组成不同。
超级电容器最大可用电压取决于电解质分解电压。
电解质可为强碱或强酸等水溶液，亦可谓盐的质子惰性溶剂等有机溶液。
通过水溶液体系，便可获取高比功率及高容量的最大可用电压；通过有机溶液体系，便可获取高电压，从而获取高比能量。
二、超级电容器的原理就存储电能的机理而言，超级电容器可分为赝电容器及双电层电容器。
超级电容器技术及应用
VS
聚合物电解质材料的制备方法包括溶 胶凝胶法、聚合物共混法等，其性能 与应用领域与制备方法和条件密切相 关。聚合物电解质材料的电导率较高， 但能量密度较低，循环寿命也有待提 高。
03
超级电容器的应用领域
电动汽车与混合动力汽车
电动汽车与混合动力汽车是超级电容 器的重要应用领域之一。超级电容器 可以提供高功率能量，用于加速和爬 坡等需求，同时还能回收制动能量， 提高能源利用效率。
ABCD
加强安全检测
在生产和使用过程中加强安全检测，及时发现并 处理安全隐患。
提高可靠性
通过提高超级电容器的可靠性和稳定性，降低因 元器件失效导致的安全事故。
06
案例分析：某电动汽车公司采用 超级电容器的实践经验
技术选型与方案设计
技术选型
该电动汽车公司根据自身需求，选择了具有 高能量密度、快速充放电、长寿命等优点的 超级电容器，以满足电动汽车的储能和动力 需求。
02
超级电容器的技术原理
双电层电容器技术
双电层电容器技术是超级电容器中的一种，其工作原理是利 用电极和电解质之间形成的双电层来存储电能。在充电过程 中，正电荷和负电荷分别在电极和电解质表面积累，形成双 电层，从而产生电场和电压。
双电层电容器具有高功率密度、快速充放电、长寿命等优点 ，因此在混合动力汽车、电动车、电网储能等领域有广泛应 用。
相比传统电池，超级电容器具有更高 的充放电速度和更长的循环寿命，能 够更好地满足电动汽车和混合动力汽 车的运行需求。
风力发电与太阳能发电系统
风力发电和太阳能发电系统中，超级电容器可以用于储存和释放能量，以稳定电力输出。在风力发电系统中，超级电容器可 以吸收多余的能量，并在电力需求高峰时释放，提高电力系统的稳定性。
超级电容的储能技术研究
超级电容的储能技术研究摘要：超级电容是一种新型的储能元件，近年来受到了广泛的关注。
对基于超级电容储能方式的城市轨道交通系统进行研究时首要解决的问题是超级电容阵列的容量和链接方式的设计。
本文主要对超级电容进行了原理的分析和优缺点的总结。
关键字：超级电容；主电路；系统容量1.超级电容1.1.工作原理超级电容器包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件，利用活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构获得超大电容值。
在电解液中同时插入两个多孔碳电极并在两端施加电压，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，在电场作用下电解质溶液中的正负离子聚集到与极板相对的界面上，从而形成双电层。
当向电极施加电压时，电极表面的静电荷吸引电解液中部分不规则分布的带异电荷离子，在电极电解液界面处排成一排，形成一个电荷量与电极表面剩余电荷量相等，符号相反的界面层，一层在电极上一层在电解液中形成双电层，两个电极分别形成一个界面，电容值为正负两个电极串联电容之和。
1.1.超级电容的优点超级电容器也并非没有缺点，从目前的产品情况来看，超级电容器主要存在以下的不足之处。
（1）功率密度高。
超级电容器的内阻小，同时，由于本身材质特点，可以实现电荷快速转移，输出功率高，一般可以达到蓄电池的数十倍；（2）使用寿命长。
具有至少几十万次的使用寿命，是蓄当今蓄电池使用寿命的几十倍乃至上百倍；（3）充电时间短。
超级电容器的双电层结构可以实现快速的电化学过程，并且可釆用大电流充电，一般几十秒至几分钟完成充电；（4）工作稳定范围广。
容量随温度的变化小，在的环境温度下正常工作；（5）效率高。
库伦效率可以达到以上；（6）绿色环保。
生产过程不使用重金属等有害化学物质，循环使用寿命长，属环境友好型产品。
1.1.超级电容的不足超级电容也存在一些不足之处：（1）采用线性放电。
超级电容线性放电的特性使它无法完全放电，放电工作过程中会有一定局限。
（2）低能量密度。
目前超级电容可储存的能量比化学电源少得多，对大容量能量需求场合不适用。
超级电容器技术简介
超级电容器技术的研究背景及发展现状1. 研究背景随着科技的进步及社会文明程度的提高，能源问题已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时，也是促进能源科技发展的巨大推动力。
进入二十一世纪之后，能源短缺和环境恶化的问题日益严重，这促使人们应更加重视建立确保经济可持续增长、有利于环境的能源供应体系，节能和扩大新能源开发利用成为世界性的趋势。
石油作为一种不可再生资源，随着人类需求的不断增长，已面临严重的短缺，并由此不断引发全球性的社会、经济、政治问题。
而且，全球燃油汽车消费量的不断增加，燃油汽车排放的NO x和CO x对全球环境带来严重污染，并导致地球温室效应。
开发更加清洁、环保的电动汽车被认为是解决能源问题和环保问题的一条有效途径，目前已成为全球性的研究热点。
电动汽车的研究经过多年的研发，特别是最近十年来的集中研究，已经对电动汽车有了比较统一的认识。
纯电动汽车（镍氢电池或锂离子电池作主电源）适合于短途应用，燃料电池电动车由于技术和成本因素在二十到三十年内不具备商业化应用的竞争力，而混合电动车（“油＋电”混合，）被认为是最接近商业化的技术模式。
“油＋电”混合电动车中的“电”主要是指二次电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。
目前，商品化的二次电池虽然具有较高的比能量，但比功率都很低，一般不超过500W/kg，而且电池在高脉冲电流放电或大电流充电时会影响其使用寿命，并引起电池内部发热、升温，存在安全隐患。
燃料电池同样是一种低比功率的储能元件，耐大电流充放电能力差。
单独使用电池作为动力电源无法满足电动汽车对电源系统的要求。
从能源的利用形态来看，电能作为能量利用的最终形态，已成为人类物质生产和社会发展不可缺少的“源动力”。
近年来，小型分立的可移动电源的发展更是增加了电能的利用形式和应用范围。
电能除了通过固有的电网系统应用于工业和家庭生活外，通过可移动电源（如铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池）等“承载体”更是成为随时随地均可便捷使用的动力源，极大方便了人们的物质文化生活。
超级电容器储能技术及其应用
超级电容器储能技术及其应用摘要：超级电容器是近年发展起来的一种新型储能元件，具有功率密度高、寿命长、无需维护及充放电迅速等特性。
叙述了超级电容器的分类、储能原理和性能特点，介绍了超级电容器目前的应用领域及应用中需要关注的问题。
超级电容器，也叫电化学电容器，是20世纪60年代发展起来的一种新型储能元件。
1957年，美国的Becker首先提出了可以将电容器用作储能元件，具有接近于电池的能量密度。
1962年，标准石油公司(SOHIO)生产了一种工作电压为6V、以碳材料作为电极的电容器。
稍后，该技术被转让给NEC电气公司，该公司从1979年开始生产超级电容器，1983年率先推向市场。
20世纪80年代以来，利用金属氧化物或氮化物作为电极活性物质的超级电容器，因其具有双电层电容所不具有的若干优点，现已引起广大科研工作者极大兴趣。
1超级电容器的储能原理超级电容器按储能原理可分为双电层电容器和法拉第准电容器。
1.1双电层电容器的基本原理双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。
当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。
这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，这种储能过程是可逆的。
1.2法拉第准电容器的基本原理继双电层电容器后，又发展了法拉第准电容，简称准电容。
该电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。
对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。
2超级电容器的特性超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件，其巨大的优越性表现为：①功率密度高。
超级电容器的内阻很小，而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。
超级电容技术原理简介
超级电容技术原理简介超级电容器(Supercapacitor ultraca-pacitor) 又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor),它不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊的储能元器件。
超级电容器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电容量的。
众所周知,传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获得较大的容量,导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。
传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料通常要求尽可能的薄。
超级电容器在分离出的电荷中存储能量,用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集,其电容量越大。
超级电容器的极板面积是基于多孔炭材料,该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g,通过一些措施可实现更大的表面积。
超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。
该距离和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。
这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊入大的静电容量,故称其为“超级电容器”。
超级电容器拥有比传统电容器高出数千倍的电容值,目前常用的超级电容器的电容量是(0.1F～5000F),最高可达上万F(法拉)。
与利用化学反应的蓄电池不同,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,性能十分稳定。
它具有功率密度大、重量轻、体积小、充电时间短、安全系数高、使用寿命长、低温特性卓越、免维护、节约能源和绿色环保等诸多特点。
因而其用途极其广泛,发展前景非常看好,世界各国在此方面的重视程度和研发投入正在快速提高。
超级电容器的出现,填补了传统电容器和各类电池间的空白。
它最初在电力系统得到广泛的应用,此外用作起重装置的电力平衡电源,可提供超大电流的电力;用作车辆启动电源,启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高,可以全部或部分替代传统的蓄电池;用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车;用在军事上可保证坦克、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、又可作为激光武器的脉冲能源等。
超级电容器的原理及应用
超级电容器的原理及应用一、原理：超级电容器（Supercapacitor）又称为超级电容器或超级电容器电池，它是一种特殊的电容器，其存储能量量级为焦耳级别，远高于普通电容器的毫焦耳级别。
超级电容器具有快速充电和放电、长寿命、高循环稳定性等特点，适合于需要高能量密度和高功率密度的应用场合。
观察超级电容器的内部结构，其由两个锰氧化物电极板和一个电介质隔离层组成，锰氧化物电极板表面没有铝箔覆盖，其间以100nm的间距排列，从而即可达到高电容电极表面积的效果。
电介质隔离层由聚丙烯的多层膜组成。
在正极板和负极板之间的介质薄膜壁具有极高的介电常数，因此能够将电场强度扩展到导电性電解質中。
因此，超级电容器具有更高的比容量和能量密度。
二、应用：超级电容器可广泛应用于电子、汽车、医疗等领域。
以下是具体的应用：1. 电子产品：可广泛应用于移动物联网、消费电子等领域。
例如，可用于数码相机、MP3等数码产品，为其提供性能更加卓越的电源。
2. 汽车研发：超级电容器可以在汽车领域应用到停车制动能量回收系统、发动机启动、辅助动力系统等方面。
比如，在刹车时，能够以更为高效的方式回收能量，提高储能系统的效率，在加速时则能够减少电池的功率消耗，从而延长电池使用寿命。
同时，超级电容器还能在车辆制动、起动和交通噪声的减少方面发挥重要作用。
3. 医疗器械：在呼吸机、心脏起搏器等医疗领域中，超级电容器可以减小器械的尺寸同时增加器械的能量输出。
4. 其他领域：超级电容器还可广泛应用于军事领域、能源行业、新能源领域及航空航天等领域。
面向未来的新型储能技术
面向未来的新型储能技术随着时代的发展，人们对能源的需求也愈发增长，同时对能源的清洁化和可持续性也提出了更高的要求。
而在能源领域中，储能技术被认为是我国能源发展的重要一环。
储能技术，可以帮助我们在不同的时间段内合理安排能源利用，从而解决包括能源储备不足、风能、太阳能等可再生能源波动性大、电网稳定性差等问题，实现我们的能源可持续发展。
近年来，我国在新型储能技术方面取得了不小的进展，下文就来聊聊一些广受关注的面向未来的新型储能技术。
一、超级电容器技术超级电容器是一种新型的储能技术，主要由正面、负面和电解介质三部分组成。
超级电容器具有电子传递速度极快、循环寿命长、承受重复充放电等特点，可以有效地弥补锂离子电池等传统电池无法胜任的问题。
超级电容器可以应用在电动汽车、风力发电、调峰辅助等领域，是储能技术领域未来的发展方向之一。
二、热电储能技术热电储能技术是一种将太阳能等热能转化为电能的储能方式。
热电储能技术的优点是具有高效、可靠、环保等特点，同时可以解决太阳能利用的储存问题。
热电储能技术一般由集热器、储热器、蒸汽发生器、透镜等组成。
这项技术可以广泛应用在电动汽车、风力发电、太阳能光伏等领域，其前景十分广阔。
三、氢能储存技术氢能储存技术是一种将电能转化为氢气的储能方式，通过将水分解成为氢气和氧气，将氢气储存在氢气罐中，再根据需要时重新将氢气转化为电能。
氢能储存技术具有环保、储能效率高等优点，目前在气候变化、发电等领域得到广泛应用。
未来随着技术进一步发展，氢能储存技术可能成为替代化石燃料的重要选择。
四、流电池技术流电池技术是一种由两种液体或固体电解质高速流动，同时进行反应的电池储能技术。
流电池技术有着很高的储存密度和高效率的特点，目前在电动汽车、UPS、储能电站等领域有着广泛的应用前景。
未来随着技术进一步完善，流电池技术将成为高效储能领域的重要一环。
总体来看，新型储能技术是实现能源清洁化、可持续发展的重要途径，而未来的储能技术也应当面向更高效、更环保、更可靠的方向。
《储能技术》 第7章习题答案[3页]
![《储能技术》 第7章习题答案[3页]](https://img.taocdn.com/s3/m/b2e3bb53ce84b9d528ea81c758f5f61fb6362842.png)
第7章习题答案7-1简述飞轮储能的构成并说明各组成部件的作用。
解：飞轮储能系统主要由飞轮转子、轴承系统、电机系统、真空室、电能转换器系统等构成。
飞轮转子是储能装置，利用转子的高速旋转可以将能量以机械能的形式进行储存，并通过转速的变化实现能量在动能与电能之间的转化；轴承系统的作用是支承转子安全稳定旋转，并减小旋转过程中产生的摩擦阻力；电机系统集成了发电机和电动机，在储能系统充放电时实现电能和动能之间的相互转换；真空室用于维持飞轮转子的真空环境，从而降低空气阻力带来的摩擦损耗，目的是实现能量的高效率存储和释放，并且对飞轮装置起到保护作用；电能转换器系统是将输入电能转换为直流电供给电机，对输出电能进行调频、整流后供给负载的关键部件，主要对充放电所需的电能进行整流和转换，以满足负载所需电压或频率的要求。
7-2 什么是失超？产生失超现象的原因有哪些？失超对系统有哪些影响？应该采取哪些措施？解：失超是超导体在运行过程由于受到扰动无法满足临界电流等条件，从而失去超导体的优良导电特性的一种状态。
失超的原因：超导材料制备过程中的缺陷导致局部性能较差；一些扰动如电流引线或仪器测控引线引入的热扰动、洛伦兹力产生的导线运动、绕组变形、交流损耗、核辐射热和束流辐射、磁通跳跃等可能导致失超；超导储能系统持续吸收有功功率的时间较长，也会使超导线圈中的电流密度超过临界电流密度而导致失超。
失超的影响：失超导致超导体大量发热，温度迅速上升会造成设备损坏、绝缘层破坏、甚至冷却液气化造成系统体积膨胀进而发生破裂和爆炸等问题。
失超保护措施：失超保护措施可分为两类：一类是将超导体内的能量转移至超导体外释放，如并联外部电阻保护与变压器保护；二是加速超导体的失超，使能量消耗在超导体内，如内部分段并联电阻保护与并联二极管保护。
7-3 超级电容的“超级”体现在哪里？解：超导电容的“超级”在于：(1) 超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的阴离子，负极板吸引阳离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的阳离子在负极板附近，阴离子在正极板附近。
超级电容储能原理
超级电容储能原理
超级电容储能是一种基于电容器原理的高能量密度储能技术。
传统电容器利用电场储存电能，但其能量密度较低。
超级电容器通过采用高表面积电极材料、导电高分子电解质以及优化电容器结构等措施来提高能量密度，进而实现高效率的能量储存。
超级电容器的工作原理基于两个主要机制：电场储能和双电层电容效应。
首先，电场储能是指电容器中的正负极板之间的电场产生的静电能。
电介质材料的介电常数决定了电场储能的大小。
通过选择高介电常数材料和增加极板面积，可以增加电场能量的储存容量。
其次，双电层电容效应是指电解质中正负离子吸附在电极表面形成的电荷分离层。
在电解质的两个极性界面上形成两层电荷云，分别对应着正离子层和负离子层。
这种电荷分离现象导致电介质中产生双电层电容，增加了电容器的能量储存能力。
为了增加双电层电容效应，常见的做法是使用高表面积的电极材料，例如活性炭、氧化物等。
此外，超级电容器还可以利用快速电离和电荷分离的特性，实现快速的充电和放电过程。
因此，超级电容器在电子设备、汽车、储能系统等领域中被广泛应用，能够提供高功率输出和长寿命的特点。
孙向东超级电容器储能技术
U dc
L
S1
S2
Rsa
C2
Ca
U sc
29/50
直流母线电压波动±10%，波动频率为100Hz时，超级电容器储能系统动 作前后的直流母线电压、超级电容器组电压以及电感电流的实验波形。
Udc
Udc
Usc
Usc
IL
IL
储能系统动作前后的实验波形
储能系统起动后的稳态实验放大波形
30/50
直流母线电压波动+25%，波动频率为100Hz时，超级电容器储能系统动 作前后的直流母线电压、超级电容器组电压以及电感电流的实验波形。
半桥加推挽双向变换器 该变换器具有结构简单、电流纹波小等优点，而由二极管和 变压器辅助绕组组成的辅助网络可以防止变压器的单边磁化。
24/50
有源钳位加推挽变换器 该变换器适用于小功率系统，控制相对简单。
25/50
►非隔离变换器形式
中小功率时仅采用一组BUCK-BOOST充放电路 大功率时采用多组BUCK-BOOST充放电路并联协调控制
并网向离网切换时刻 离网向并网切换时刻
并网模式到离网模式切换波形
离网模式到并网模式切换波形 39/50
►三电平双向变换器
40/50
41/50
42/50
在相同电感和相同开关频率的条件下，三电平双向变 换器的电感电流最大脉动量仅为两电平双向变换器的 1/4。如果要求两者的电感电流脉动的最大值相同，那 么三电平双向变换器的电感可以减小为两电平双向变 换器电感的 1/4，因此三电平双向变换器的动态响应 可以得到大大提高。 三电平的开关管耐压是两电平的一半。
双全桥变换器是目前应用最多的双向变换器之一,其优点： 运用移相控制可以实现软开关，效率较高，适用于大功率 应用场合等。
超级电容直流储能系统
第一章前言1.1课题背景1.1.1超级电容直流储能系统的发展概况由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。
已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究开发，取得了一定的成效。
但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。
而超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。
正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。
其中美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产上走在前面，而且还建立了专门地国家管理机构（如：美国的USABC、日本的SUN、俄罗斯的REVA等），制定国家发展计划，由国家投入巨资和人力，积极推进。
就超级电容器技术水平而言，目前俄罗斯走在世界前面，其产品已经进行商业化生产和应用，并被第17届国际电动车年会（EVS—17）评为最先进产品，日本、德国、英国、法国、澳大利亚等国家也在急起直追，目前各国推广应用超级电容器的领域已相当广泛。
在我国推广使用超级电容器，能够减少石油消耗，减轻对石油进口的依赖，有利于国家石油安全；有效地解决城市尾气污染和铅酸电池污染问题；有利于解决战车的低温启动问题。
目前，国内主要有10余家企业在进行超级电容器的研发。
1.2 超级电容在国内外相关技术发展现状1.2.1 国外超级电容的生产及发展状况目前,在超级电容产业化方面，美国、日本、俄罗斯处于领先地位，几乎占据了整个超级电容市场。
这些国家的超级电容产品在功率、容量、价格等方面各有自己的特点与优势。
1.2.2 国内超级电容的研究现状1.2. 3 超级电容的应用研究现状1.2.3.1 超级电容做混合型电动机车的启动或加速用辅助电源目前，大部分内燃机车、混合动力汽车、电动汽车、车辆低温启动、轨道车辆能量回收、航天航空、电动叉车、起重机1.2.3.2 超级电容是方便可靠的储能设备超级电容放电速度快、体积小、重量轻，可以为众多电子产品和存储器提供电源或后备电源，同时又可以提供大功率的脉冲电流，可以满足通讯设备对电源的要求。
超级电容器储能技术的性能优化与提升
超级电容器储能技术的性能优化与提升1. 引言超级电容器储能技术作为一种新型的高能量密度、高功率密度的储能设备，已经在能源领域引起了广泛的关注。
其具备快速充放电能力、良好的循环寿命和高效能转换等特点，被广泛应用于电动汽车、再生能源储能系统及电子设备等领域。
为了进一步提高超级电容器的性能，本文将对超级电容器的性能优化与提升进行讨论。
2. 材料选择与设计优化超级电容器的性能优化首先需要考虑的是材料的选择与设计优化。
目前最常用的材料包括活性炭、金属氧化物和导电聚合物等。
在材料选择方面，需要考虑比表面积、导电性能、电化学稳定性和成本等因素。
同时，在电极设计上可以优化电极的表面形貌和孔隙结构，增加电极与电解质的接触面积，提高电极材料的封闭度和稳定性。
3. 电解质优化与界面工程电解质对超级电容器的性能有着重要的影响，因此电解质的优化是性能优化的关键步骤之一。
传统的电解质通常采用有机溶剂和盐类混合体系，但它们存在着易挥发、燃烧和电化学稳定性差等问题。
因此，采用高温稳定、无毒、低挥发的电解质体系成为了当前的研究重点。
此外，界面工程也是优化超级电容器性能的关键技术之一。
通过表面修饰和界面层的构建，可以有效地优化电容器的电化学反应速率和电化学稳定性。
4. 设备结构优化超级电容器的性能优化还需要考虑设备结构的优化。
传统的超级电容器结构通常采用电解质浸渍的电极材料，但这种设计存在着电解质损失和电极材料的波动等问题。
为了克服这些问题，可以采用分离式电容器结构，即电解质和电极材料分别放置在两个独立的结构中，通过电子和离子的交换进行能量转换。
5. 循环寿命与衰减机理研究超级电容器的循环寿命和衰减机理研究对于性能优化和提升具有重要意义。
循环寿命与电容器的内部结构、电化学反应和温度管理等因素有关，通过调节这些因素可以有效提高电容器的循环寿命。
同时，衰减机理的研究可以揭示电容器性能衰减的原因，并为性能优化提供参考。
6. 温度管理与热损失控制超级电容器的性能受到温度的影响较大，因此温度管理与热损失控制是提高性能的重要手段。
超级电容器储能装置研究
超级电容器储能装置的研究1、本文概述随着全球能源危机和环境污染的日益严重，储能技术的研究和应用受到了广泛关注。
在众多储能技术中，超级电容器作为一种新兴的储能器件，以其功率密度高、充放电快、循环寿命长等独特优势，被广泛应用于电动汽车、电力系统、移动设备等领域。
本文旨在对超级电容器储能装置进行深入研究，探讨其基本原理、性能特点、应用领域和发展趋势，为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和指导。
本文将首先介绍超级电容器的基本原理和结构，包括电极材料、电解质和隔膜等关键部件。
随后，通过对不同类型超级电容器的比较分析，阐述了其性能特点和适用场景。
在此基础上，本文将进一步探讨超级电容器在电动汽车、电力系统、移动设备等领域的应用现状和发展趋势。
本文还将对超级电容器储能装置面临的挑战和未来发展方向进行展望，以促进超级电容器技术的进一步发展和应用。
2、超级电容器储能装置的原理与特点超级电容器储能器件的工作原理主要基于两种储能机制：双层电容和赝电容。
在双层电容器中，在电极表面和电解质之间形成薄的双层。
当向电极施加电压时，电解质中的离子在电极表面上形成电荷层，从而实现能量存储。
另一方面，伪电容通过快速可逆的法拉第反应在电极表面形成电荷，从而在电极表面产生更高的电荷密度，提高储能效率。
高功率密度：超级电容器的一个显著特征是其高功率密度，这意味着它们可以提供更大的单位质量或体积的功率输出。
这使得超级电容器非常适合于需要在短时间内提供大量能量的应用，例如电动汽车的加速阶段、电力系统的瞬时负载平衡等。
寿命长：与传统电池相比，超级电容器的寿命更长。
这是因为超级电容器的充放电过程不涉及复杂的化学反应，从而减少了电极材料的损耗和降解。
在适当的工作条件下，超级电容器可以经历数十万甚至数百万次的充电和放电循环，而不会显著降低性能。
宽工作温度范围：超级电容器可以在宽温度范围内工作，适用于极端环境中的储能需求。
例如，在寒冷的北极地区或炎热的沙漠地区，超级电容器可以保持稳定的性能。
超级电容器简介
活性炭表面官能团的作用
➢ 含氧官能团越多，导电性越差。
➢羧基浓度越大，漏电电流越大，储存性能越差。 ➢ 羧基浓度越高，静态电位越高，越易析氧，电极越不稳定。 ➢处理炭表面官能团，提高性能
高温处理的影响
➢ 增加电导率和密度，
➢ 减少表面官能团，也减小比表面、比容量 。 ➢适宜的高温处理，可提高大电流下体积比容量。 ➢ 进行二次活化可提高比表面--重量比容量。
•法拉第准(赝)电容不仅只在电极表面,而且可在整个电极内部产生,因而可获得 比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下,法拉第准 (赝)电容可以是双电层电容量的10～100倍。
赝电容根据电极反应的不同,分为吸附电容和氧化还原赝电容 吸附赝电容是指电化学活性物质在基底电极上发生二维/准二维的电化学吸 脱附,表现出电容性质。如H+在Pt电极表面的吸脱附反应
此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是原电池,如: （1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线性关系; （2）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K,则产生的电流为恒定或几 乎恒定的容性充电电流I=CdV/dt=CK。
•此时系统的充放电过程是动力学高度可逆的,与原电池及蓄电池不同,但与静 电电容类似。为与双电层电容及电极与电解液界面形成的真正的静电电容相 区别，称这样得到的电容为法拉第准(赝)电容。
碳是双电层电容器理想的电极材料，在水溶液和非水溶液理想极化的条件下电压分别为 1 V 和 3.5 V
❖ 电容器电解质：
➢ 水溶液：酸性体系——硫酸
碱性体系——氢氧化钾
➢ 有机电解液：Et4NBF4/PC（小型电容器，高温性能好） Et4NBF4/AN（大型，大功率、低温） LiAlCl4/SOCl2
不同类型储能技术的优势与劣势分析
不同类型储能技术的优势与劣势分析储能技术是解决能源发展和利用的关键环节之一。
随着可再生能源的快速发展和电力需求的增加，各种类型的储能技术也得到了广泛关注和应用。
本文将对不同类型储能技术的优势和劣势进行分析，以帮助读者更好地了解并选择适合自己的储能技术。
1. 储能技术概述储能技术可以将能量转化并存储在系统中，以满足电力需求。
常见的储能技术包括电池储能、压缩空气储能、超级电容器储能、重力储能、水蓄能等。
2. 电池储能技术电池储能技术是最为常见和成熟的储能技术之一。
其优势在于高效率、灵活性和可靠性。
电池储能设备可以快速响应，并能在短时间内释放大量能量。
此外，电池储能技术可以根据需求进行分散式布置，有效地解决电力不稳定性问题。
然而，电池储能技术也存在一些劣势。
首先是成本较高，尤其是对于大规模的能量存储系统来说，造成了较高的投资。
其次，电池寿命有限，需要定期更换或维护，对整体经济性提出了挑战。
此外，电池材料的制造和回收对环境造成一定的影响。
3. 压缩空气储能技术压缩空气储能技术是一种将电能转化为气能并储存的技术。
该技术具有较高的可调度性和稳定性。
压缩空气储能可以通过压缩空气或膨胀空气来产生或释放能量，具有很好的扩展性。
然而，压缩空气储能技术的劣势也是显而易见的。
首先是储能效率相对较低，包括压缩和膨胀过程中能量损失。
其次，该技术的成本和体积相对较高，限制了其在实际应用中的规模。
4. 超级电容器储能技术超级电容器储能技术利用电荷的吸附和解吸附来储存能量，具有高功率输出、长寿命、快速充放电和高效率的特点。
超级电容器储能技术在短时间内能够快速充放电，适用于频繁的高功率需求场景。
然而，超级电容器储能技术也存在一些限制。
首先是能量密度相对较低，无法满足长时间和大规模的能量储存需求。
其次，超级电容器的成本较高，影响了其在商业化应用中的推广。
5. 重力储能技术重力储能技术通过提升和释放物体的高度来储存和释放能量。
其优势在于成本较低、长寿命、适合大规模应用以及对环境的较小影响。
超级电容器储能的原理
超级电容器储能的原理
超级电容器储能的原理是通过电电解双层电容效应来实现的。
超级电容器由两个电极（通常是活性炭材料）和一个电解质介质组成。
当电容器连接到电源时，正极电极上的电子会向电解质中移动，同时负极电极上的电子会从电解质中移除。
这个过程导致了电解质中产生了带正电和带负电的离子。
由于离子的共吸引力，它们会聚集在电极和电解质界面附近形成一个双层电容，其中正离子聚集在负极附近，负离子聚集在正极附近。
当超级电容器处于充电状态时，电子从电源流向正极电极，然后通过电解质中的离子移动并沉积在负极电极上。
这个过程导致带电离子从电解质中交换，在双层电容中储存电能。
当需要释放电能时，超级电容器的电极连接到外部电路。
在连接后，储存的电能会通过电解质中的离子运动，在电容器的电极之间传递，并驱动电路中的负载工作。
超级电容器以其高能量密度、高电压和长寿命等优点而被广泛应用于需要短时间高功率输出和快速充电和放电的领域，如电动汽车、电子设备和可再生能源储能系统等。
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电动车专项 纳米材料专项 特种功能材料技术主题，等
投入力度与国外相比还有很大差距
二、超级电容器概述
它是一种电化学元件，但在其储能的过程中并 不发生化学反应，这种储能过程是可逆的；
• 超级电容（supercapacitor），双电层电容(Electrical DouleLayer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，
• 即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相 反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。
• 其过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电 池电化学储能过程不同。
超级电容器的大容量和高功率充放电就是由 这2种原理产生的。充电时,依靠这2种原理储存 电荷,实现能量的积累;放电时,又依靠这2原理, 实现能量的释放。
因此,制备高性能的超级电容器有2个途径: 一是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电 容量;二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机 率,从而提高准电容容量。
• 功率密度（kW/kg）:也称为比功率，指单位质量 或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热 效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能 承受电流的能力
1、储能原理
化学电容储能机制可分为：
➢ 双电层电容--电极表面与电解液间双电层储能。 ➢ 准电容--电极表面快速的氧化-还原反应储能。
相应的两类电极—-—组成三种电容器
双电层电容器 正、负极——多孔炭 准电容器 正、负极——金属化合物、石墨、
导电聚合物。 度高
双电层电容原理
• 双电层电容原理是指由于正负离子在固体电 极与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。 这种储能原理允许大电流快速充放电,其容量 大小随所选电极材料的有效比表面积的增大 而增大。
• 充电时 ,在固体电极上电荷引力的作用下 , 电解液中阴阳离子分别聚集两个固体电极的 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。双电层的厚度取决于 电解液的浓度和离子大小。
1978年， 松下，Goldcap牌，最早产品； 1980年，NEC公司（超级电容器名称的由来） 80年代末，ELNA公司；等。
电容器的容量值0.01~几法拉
一、 超级电容器发展简介
❖ 20世纪80年代末 ，由于电动汽车发展的需
要，大尺寸超级电容器的研制成为热点。 俄、欧、美、日等国列入国家研究计划。
• 寿命：在25℃环境温度下的寿命通常在90 000小时，在 60℃的环境温度下为4 000小时，寿命随环境温度缩短 的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。 寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR 增大到额定值的1.5倍。
超级电容的性能指标
• 循环寿命： 超级电容器经历一次充电和放电， 称为一个循环，超级电容器的循环寿命长，可达 到10万次以上。
➢ 美国Surpercapacitor Symposium；从1991年 起，每年都举办一次国际性的超级电容器研讨会； 美国能源部制定了超级电容器的近期、中期、长期 的研究目标。
➢ 日本设立新电容器研究会； 将超级电容器研究列 入“新阳光”计划。
➢ 以Saft牵头，欧盟组织电动车超级电容器的研制。
一、 超级电容器发展简介
• 额定电压：可使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、 2.7V）
• 额定电流：5秒内放电到额定电压一半的电流
超级电容的性能指标
• 等效串联电阻：以规定的恒定电流和频率（DC和大容 量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。
• 漏电流：指超级电容器保持静态储能状态时，内部等效 并联阻抗导致的静态损耗，通常为加额定电压72h后测 得的电流，一般为10μA/F
实际上对一种电极材料而言,这2种储能机理往往 同时存在,只不过是以何者为主而已。
2.超级电容的性能指标
• 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 。
• （1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线 性关系; （2）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K, 则产生的电流为恒定或几乎恒定的容性充电电流 I=CdV/dt=CK。
•准电容的特点：
•准电容的充放电过程是动力学高度可逆的,与原电池及 蓄电池不同,但与静电电容类似。
•这 种 电 化 学 能 量 储 存 系 统 首 先 由 Conway 等 与 CraiyofContinental集团合作,于1975年开始并致力于这 方面的研究工作,研制出采用这种充放电原理的名为超 电容的电容器。
第六章 超级电容器
超级电容器是一种新型的储能原件，它的性能介于传统电容 器和电池之间，有很多优于传统电容器和电池的特点：
• 具有非常高的功率密度 • 充电速度快 • 使用寿命长 • 低温性能优越 • 漏电电流小 • 成本低廉，对环境无污染
一、 超级电容器发展简介
❖ 1954年第一份超级电容器的专利 ❖ 小尺寸超级电容器：
• • 超级电容器介于电容器和电池之间的储能器件，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。
准电容原理（赝电容）
• 准电容原理则是利用在电极表面及其 附近发生在一定电位范围内快速可逆 法拉第反应来实现能量存储。这种法 拉第反应与二次电池的氧化还原反应 不同。
准电容原理
• 此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是 原电池,
•这种充放电行为,Ru的氧化物(RuO2)表现最显著,但其 最早的表现形式是H在Pt或Pb在Au上进行欠电位沉积, 产生高度可逆的化学吸附、脱附。
•为与双电层电容及电极与电解液界面形成的真正的静 电电容相区别,称这样得到的电容为法拉第准(赝)电容。
•法拉第准(赝)电容不仅只在电极表面,而且可在整个电 极内部产生,因而可获得比双电层电容更高的电容量和 能量密度。在相同电极面积的情况下,法拉第准(赝)电容 可以是双电层电容量的10～100倍。