特种电源与超级电容器

沈阳理工大学

研究生课程考试卷

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课程名称：特种化学电源

年级： 2014 专业：化学工程

考号： 1482060260 学号： 1482060260 姓名：杨坤坤

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电源与电容器

1 常见的化学电源

电源是将其它形式的能转换成电能的装置。电源自“磁生电”原理，由水力、风力、海潮、水坝水压差、太阳能等可再生能源，及烧煤炭、油渣等产生电力来源。化学电源又称电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应消耗某种化学物质，输出电能。在化学电池中，根据能否用充电方式恢复电池存储电能的特性，可以分为一次电池（也称原电池）和二次电池（又名蓄电池，俗称可充电电池，可以多次重复使用）两大类。一次电池又可分为普通锌锰（中性锌锰）、碱性锌锰、锌汞、锌空、镁锰和锌银六个系列；二次电池主要有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、碱锰充电电池和铅蓄电池等类型。各种新型的化学电池也在火热的研究探索中。

2 超级电容器的应用

超级电容器是一种新型储能装置，是在双电层理论基础上发展起来的一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器超级电容器功率密度最高可达10 kW kg-1以上，可以弥补目前燃料电池、二次电池等电源功率方面的不足，在电动汽车、风力发电、消费电子产品等领域有巨大的应用价值和市场潜力。超级电容器用途广泛，从储能机理上面分为双电层电容器和赝电容器。与传统可充电化学电池相比，超级电容器的特性主要有以下几点：

（1）高功率密度。超级电容器的内阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数kW/kg，是任何一个化学电源无法相比的，是一般蓄电池的数十倍。

（2）长的充放电循环寿命。超级电容器在充、放电过程中没发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上，而普通蓄电池的充放电循环寿命只有数百次，只有超级电容器的几十分之一。

（3）充电时间短。超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过

十几分钟，而蓄电池则需要8～12 h才能充电完毕。

（4）妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般说来，比能量高的贮能体系其比功率不高；而一个贮能体系的比功率高，则其比能量就不一定很高，许多电池体系就是如此。超级电容器在可以提供1～5 kW/kg高比功率的同时，其比能量可以达到5～20 wh/kg。将它与蓄电池组结合起来，可构成一个兼有高比能量和高比功率输出的贮能系统。

（5）贮存寿命长。超级电容器充电之后，虽然也有微小的漏电流存在，但这种发生在超级电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质，且所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因此超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的。

（6）高安全性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因而超级电容器的可靠性非常高。在温度方面，电池的低温性能在零下20摄氏度，而超级电容器的低温性能可以达到零下40摄氏度左右，能够在各种温度的变化下迅速释放能量。

3 电源与超级电容器

超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。超级电容器与电池是很好的互补器件，将两者结合起来，能将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来。电池属于能量设备，而超级电容器属于一种功率设备，很多设备既需要功率的快速响应，也需要能量的持续供应，不仅仅需要能源持续，同样需要在峰谷期仍然稳定的能源，这就是超级电容器与电池共同使用的重要前景。

燃料电池和以铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等为代表的二次电池均存在着功率密度低的问题，这就导致以其做动力的电动车在爬坡、启动等方面存在不足。而以内燃机和电池混合驱动的汽车虽然能够有效解决纯电动车功率密度低的问题，但混合动力汽车仍需采用内燃机做动力，无法从根本上消除环境污染问题。

对于电动汽车，电池的周期寿命较短，汽车需要频繁的充放电，同时，在电动汽车一起一停的过程中，对电池本身有很大的伤害，尤其是电动公交车每天的启停数很大。而如果电动汽车只是用超级电容器，会无法为设备提供较长时间的动力，超容更适合运用到启停过程中，进行快充快放，承担峰值功率。

超级电容器与电池的互补就恰好解决了续航里程和启停的问题，因此超容与电池结合使用会在电动汽车领域逐步变成一种主流应用。超级电容器由于具有高的功率密度，和燃料电池或二次电池配合使用，可以满足汽车在加速、启动和爬坡时对功率的需求，减小大电流放电对二次电池电极材料的损害。

3.1 锂离子型超级电容器

锂离子电池的能量密度高，但正负极全靠嵌脱锂储能，受Li+迁移的限制，锂离子电池的大倍率性能不理想，循环寿命也远低于双电层电容器。对于锂离子电池的材料应用在超级电容的研究很多，锂离子电池正极材料、负极材料和电解质锂盐等均被用于混合超级电容器的研究，李媛等[1]，采用LiCoO2+AC（活性炭）作为超级电容器的正极材料、AC为负极材料，采用锂离子电池电解液LB-315组装成超级电容器，LiCoO2+AC电极中LiCoO2与AC最佳质量比为4:1．电流密度为3 mA/cm2时，首次放电比容量为235.0 F/g，经过1000次循环后，衰减到204.1 F/g。胡学步等[2]制备了一种AC和LiFePO4复合材料，并与Li4Ti5O12组装成混合电池-超级电容器，该电容器兼有AC/Li4Ti5O12电容器高倍率的充放电循环性能和LiFePO4/Li4Ti5O12电池高容量的充放电循环性能的优点。当LiFePO4的含量为11.8%和21.1%时，LAC/Li4Ti5O12在4C时的放电容量比AC/Li4Ti5O12的放电容量提高了32.37%和63.31%，循环100次后，容量损失仅为9.18%和10.13%。

3.2 蓄电池和超级电容

传统的铅酸蓄电池易出现不可逆硫酸盐化，硫酸盐在极板表面过度积累，正极铅膏中活性物质（PO2）软化、铅粉脱落现象，电池会过早的失效，影响电池的循环性能。铅炭电池是具有高功率、长寿命性能的新型铅酸电池，铅炭电池是将高比表面的炭材料(如活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶或碳纳米管等)掺入铅负极，发挥高比表面炭材料的高导电性和对铅基活性物质的分散性，提高铅活性物质的利用率，并能抑制硫酸铅结晶的长大和失活[3]。高比表面炭材料在高功率充放电和脉冲放电时可提供双电层电容，减弱大电流对负极的损害，它还使铅负极内部具有多孔结构，这有利于高功率充放电下电解液离子的快速迁移，但是碳材料的引入，能引起负极析氢。高比表面的炭材料在超级电容器的的研究，对铅炭