超级电容电源及应用

不受温度影响，放 不受温度影响，放电 电时间短 时间短
材料
1、多孔电容炭材料——超级电容器的核心
2、准电容储能材料 3、高性能电解质溶液 4、以减轻重量为中心的结构设计
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二、技术及电极材料的进展
材料 1、多孔电容炭材料
性能要求 1、高比表面 > 1000m2/g 理论比电容 > 250 F/g 2、高中孔孔容 12~40Å 400l/g， 大于40Å的孔容 50l/g， 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、良好的电解液浸润性
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
特性参数
• 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，与铝电解电容器的温度寿 命关系相似。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。
• 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%，ESR增大到额定值的1.5倍。
双电层电极、溶液界面结构示意图
Struture diagram of the interface between electrode and electrolyte
储能原理
（法拉弟）准电容原理
• 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，发生高度可逆的化 学吸附，脱附或氧化，还原反应，产生和电极充 电电位有关的电容。也称为赝电容。
1、多孔电容炭材料
材料
1、多孔电容炭材料
已研制的电容炭材料 活性炭（粉、纤维、布） ——应用最多的电极材料 纳米碳管
碳气凝胶
活化玻态炭 纳米孔玻态炭
石墨烯
材料 1、多孔电容炭材料
活性炭
• 优势： （1）成本较低； （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，最高达到500F/g，一般200F/g。 性能影响因素： （1）炭化、活化条件，高温处理； （2）孔分布情况； （3）表面官能团 （4）杂质。 研究趋势： 材料复合、降低成本
超级电容电源及应用
什么是超级电容？
超级电容是一种无源器件，介于电池与普通电 容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同 时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长， 放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反 应）释放电流，从而为设备提供电源。
作为电源使用的超级电容，即为超级电容电源
超级电容
储能原理
二、技术及电极材料的进展
材料
2、准电容储能材料
对金属化合物的性能要求： 1、高比表面 ——多孔，高比能量 2、低电阻率 ——高比功率 3、化学稳定性—— 长寿命 4、高纯度—— 减少自放电 5、价格低—— 便于推广应用
2、准电容储能材料
材料
2、准电容储能材料
a. 贵金属 贵金属RuO2电容性能研究 使用硫酸电解液；容量高，功率大，成本高。 热分解氧化法380F/g
材料
2、准电容储能材料
多孔V2O5水合物 比容量350 F/g（在KCl溶 液）。 Co2O3干凝胶 比容量291F/g（KOH溶液中）。 -Mo2N 比容量203F/g。
2、准电容储能材料
材料
2、准电容储能材料 c、导电聚合物 研究情况： 聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、 聚乙炔、聚亚胺酯 性能特点： 可快速充放电、温度范围宽、不污染环境 ； 稳定性、循环性问题。
材料
1、多孔电容炭材料
石墨烯
超薄平面石墨烯电容器
新型设计
更能有效发挥石墨烯片层的双电层作用
传统设计
层层堆叠阻碍石墨烯片层的双电层作用的发挥
材料
1、多孔电容炭材料
石墨烯
2013初，莫纳什大学材料工程学教授李丹领导的研究 团队研制出了一种能量密度为60kwh/升的新型超级电容， 其能量密度可为目前的超级电容的12倍左右.
• 工作与存储温度：
▫ 通常为-40℃-60℃或70℃，存储温度还可以高一些。
• 漏电流：
▫ 一般为10μA/F
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性能比较
与普通电容比较
性 能 超级电容器 0.3-若干秒 普通电容器 10-3—10-6秒 充电时间
放电时间
比能Wh/kg 循环寿命 比功率W/kg 充放电效率
0.3-若干秒
1- 20 >10000 >1000 0.85-0.98
特性参ห้องสมุดไป่ตู้ 性能比较 材料 应用
应用电路设计
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
准电容器 混合电容器
正、负极——多孔炭
正、负极——金属化合物、石墨、 导 电聚合物。 寿命短、电压低 电压、能量密度高
•
•
材料
1、多孔电容炭材料
石墨烯
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子以sp2杂化轨道（sp2杂 化（英语：sp2 hybridization）是指一个原子同一电子层内由一个ns轨道和两 个np轨道发生杂化的过程）。呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列 构成的单层二维晶体。
60～80 500～800 -20～55 一般 弱 500～800 ＞2小时 一般受温度 影响
100～120 600～800 -10～60 一般 无 600～800 ＞2小时 一般受温度 影响
12～15 600～800 -40～70 好 无 ＞5000 10秒～数分种
4～6 2000～2500 -30～60 好 无 200000 10秒～数分种
特性参数
• 等效串联电阻：
▫ 测试条件：规定的恒定电流（如1 000F以上的超级电容 器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）和规定 的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的 等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温度上 升而减小。 ▫ 超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加电 极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻 率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容 器的大。
材料
3、高性能电解质溶液
性能要求：
分解电压要高； 电导率要高； 电解液的浓度大； 电解液的浸润性好； 电解液纯度高； 不与电极反应； 使用温度范围要宽。
材料
3、高性能电解质溶液
电容器电解质： 水溶液：酸性体系——硫酸 碱性体系——氢氧化钾
3、高性能电解质溶液
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 季磷盐( R4P+)：电导率高、电化学稳定性好，可以提高 电容器的分解电压 (达5.4～5.5 V)。 。 固体电解质： LiCF3SO2 2N/PEO 、RbAg4I5
储能原理
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。
但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
特性参数
• 额定容量：
▫ 单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流充 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，即：
储能原理
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。
双电层原理示意图
储能原理
双电层电容原理
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。
溶胶-凝胶法 768F/g
材料
2、准电容储能材料 添加W、Cr、Mo、V、Ti等的氧化物 降低成本
复合后性能高：
WO3/RuO2比容量高达560F/g
Ru1-yCryO2xH2O比容量高达840F/g
活性炭上沉积0.4mm无定形钌膜达到900F/g
材料
2、准电容储能材料 b、廉价金属取代贵金属 MnO2材料 溶胶-凝胶法制得MnO2水合物在KOH溶液 中比容量为689F/g。 NiO材料 溶胶-凝胶法制得多孔NiO比容量265F/g。 北航做纳米Ni(OH)2容量500F/g以上。 Ni(OH)2干凝胶容量900F/g。
10-3—10-6秒
<0.1 >100000 <100000 >0.95
性能比较
与其他储能电源比较
指标 铅酸电池 镍氢电池 锂电池 能量型超级电容器 功率型超级电容器
比能量（kWh﹒kg-1） 比功率（kW﹒kg-1） 使用温度（℃） 安全性 记忆性 循环次数 充电时间 放电电流
30～40 200～300 -30～60 好 无 300～400 ＞2小时 一般受温度 影响
储能原理
上述两种储能结构的电容器，也可从其使用的电极材料上进 行划分： • （1）双电层电容器(EDLC)通常 以炭材料为电极。电容 量与电极电位和比表面积的大小有关，因而常使用高比 表面积的活性碳作为电极材料，从而增加电容量。例如， 活性碳的表面积可达1000m2/g，电容量可达100F/g， 且碳材料还具有成本低，技术成熟等优点，该类超级电 容在汽车上应用也最为广泛。 • （2）赝电容 以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳 极，以氧化还原反应的机制存储电荷。与双电层电容 器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要 大 10～100倍 ，因此可以制成体积非常小、容量大的 电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军事领域。
• 额定电流：
▫ 5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲峰值电流）
• 最大存储能量：
▫ 在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位 • 能量密度： ▫ 最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l） 功率密度：
•
▫ 在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l 表示。
材料
4、以减轻重量为中心的结构设计 • 电极设计、封装设计、特殊用途设计：
卷绕式 平板式 （单体内并结构） 双极性结构（单体内串结构） • 软包装的应用
• 模块化、独立功能化设计。
应用
玩具、手电筒、洁具、自行车尾灯、音响、助听器、礼花、充电器、DVD机、收音机 、冰箱、空调、背投和液晶电视、洗碗机、鱼漂、消毒柜、电子门锁、热水器、燃气灶 、电饭煲、熨衣架、待机转嫁器、数码相框、机顶盒、微波炉、遥控器、汽车黑匣子
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。
储能原理
准电容原理
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。
▫ 由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大，因而 充放电时ESR产生的电压降不可忽略。
特性参数
• 额定电压：
▫ 可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外 还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电压，通常为额定电压的105%），实 际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压（约为额定电压的1.5-3倍左右，与普通 电容器的额定电压/击穿电压比值差不多。