超级电容炭及其在铅炭超级电池中的应用12届铅酸电池会议深圳20110327改

1、2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容炭及其在铅炭超级电池中的应用 湖南大学材料科学与工程学院 梁 逵 2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会 提 纲n背景n一、 超级电容器简介n二、 超级电容炭的制备n三、 铅炭超级电池原理n四、 铅炭超级电池用炭n小结2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会背背 景景石化资源匮乏环境污染清洁能源新技术2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会发展瓶颈发展瓶颈n电动汽车发展瓶颈：动力电池n风光发电发展瓶颈：储能电池2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会我国电动汽车路线图我国电动汽车路线图n2010年2月四位

2、电池相关专业的中国工程院院士杨裕生、陈立泉等联名向温家宝总理写信，建议发展低速短程电动汽车、发展增程式电动汽车n2011年2月汽车领域中国工程院院士郭孔辉发文建议：发展小型电动汽车2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会微混电动汽车采用不同储电体系的成本和重量比较微混电动汽车采用不同储电体系的成本和重量比较 储电体系系统重量（kg）成本(US$)锂离子电池341020镍氢电池55660外并式超级电容器/铅酸电池701070UltraBattery55220注：表中数据引自2006年文献，但近来数据表明锂离子电池成本已与镍氢电池的接近。2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会一、

3、超级电容器简介一、超级电容器简介2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容器的特点超级电容器的特点n超级电容器是一种介于传统介质电容和二次电池之间的新型储能器件，其具有如下特点：n 功率密度高：功率密度高： 5000W/kgn 循环寿命长：循环寿命长： 10 万次万次n 充放电效率高充放电效率高 ： 90%n 温度特性好：温度特性好： -4070C2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会传统电容器传统电容器超级电容器超级电容器采用大比表面积惰性材料做电极，采用大比表面积惰性材料做电极，界面存储电荷，界面存储电荷，10F/cm2超级电容器与传统电容器对比超级电容器与传统电容

4、器对比通过介质极化存储电荷，通过介质极化存储电荷，储电密度储电密度10-6F/cm22021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容器超级电容器电电 池池表面吸脱附或氧化还原表面吸脱附或氧化还原二维储电器件二维储电器件超级电容器与电池对比超级电容器与电池对比体相氧化还原反应体相氧化还原反应三维储电器件三维储电器件2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会储电器件性能对比储电器件性能对比 性能指标 传统电容器 超级电容器 二次电池 比能量 (wh/kg)0.05-0.1 4-840-150 能量密度 (wh/L)0.15-0.28-1570-200 比功率 (w/kg)很高5000

5、100-1000 循环寿命 (次)很长100000500-20002021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容器的原理超级电容器的原理n1 双电层电容n2 法拉第准（赝）电容 双电层电容的形成2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会双电层电容工作原理双电层电容工作原理2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会双电层电容工作原理双电层电容工作原理2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容器的结构超级电容器的结构超级电容器的基本结构 2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会小型超级电容器剖面图超级电容器的结构超级电容器的结构2021-9-23第12届

6、全国铅酸蓄电池学术年会超级电容器元件超级电容器元件2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容器性能对比超级电容器性能对比2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容器的应用超级电容器的应用电动车风能及光伏发电军事用途家用电器2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容器与电池复合超级电容器与电池复合 n外在复合: 各自独立做成器件，超级电容器与电池并联，需附加控制电路等；n内在复合: 储电原理复合，不需附加控制电路 铅酸电池/超级电容器（铅炭超级电池）; 镍氢电池/超级电容器（镍炭超级电池）; 锂离子电池/超级电容器（锂炭超级电池） 今后许多储电器件既是一

7、个电池,又是一个超级电容器！2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会为何铅炭超级电池备受重视为何铅炭超级电池备受重视 n铅炭超级电池中铅与炭刚好互相取长补短，如铅密度大、炭则密度小；与铅酸电池相比，铅炭超级电池不仅保留了成本低、安全性好等优势，而其循环寿命大幅提高、比功率明显提高、甚至由于炭加入提高了活性物利用率，其比能量也有所提高;性能达镍氢电池水平，成本仅其1/3； 美国政府的下一代电池和电池车计划将铅炭超级电池作为其重点支持的两种电池之一； n镍炭超级电池，电容炭的复合，性能提升不明显；n锂炭超级电池，电容炭的复合，会降低其比能量。 2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年

8、会超级电容器常用电极材料超级电容器常用电极材料n1 炭材料：活性炭、活性炭纤维(布);模板碳;碳纳米管及碳纳米阵列;纳米门炭;石墨烯等n2 金属氧化物：RuOx; NiOx, CoOx, MnO2 等n3 导电聚合物： PPY，PAN等2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会二、超级电容炭的制备二、超级电容炭的制备2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容炭制备流程图超级电容炭制备流程图 超级电容炭的制备 （木基、煤基、石油焦基、树脂基）原材料粉碎、过筛活化剂粉碎、混合加热活化洗涤、过滤、干燥蒸馏水、酸电容炭2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会碱活化制备超级电

9、容炭的机理碱活化制备超级电容炭的机理 主要反应4 MOH + C 4 M + CO22H2O 6 MOH + C 2 M + 3 H2 + 2 M2CO3 4 MOH + CH2 2 M2CO3 + M2O + 3 H2 8 MOH + CH 2 M2CO3 +2 M2O +5 H2 4 MOH + 2 CO2 2 M2CO3 + 2 H2O 2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容炭工艺超级电容炭工艺结构结构性能关系图性能关系图 电容炭性能电容炭性能(质量比容量质量比容量、振实密度振实密度) 电容炭结构电容炭结构(表面官能团、表面官能团、比表面积和中孔比例比表面积和中孔比例、

10、石墨微晶石墨微晶、致密度致密度) 电容炭制备工艺电容炭制备工艺(原料、复合活化原料、复合活化、后处理后处理、微波活化微波活化) 2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容炭的电化学性能超级电容炭的电化学性能 超级电容炭恒流充放电特性 -0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00.00.20.40.60.81.01.2电压（V）时间 (h)2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容炭循环稳定性超级电容炭循环稳定性 0204060801001.01.21.41.61.82.0容量(mAh)循环次数2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学

11、术年会超级电容炭充放电曲线超级电容炭充放电曲线 0.000.050.100.150.200.250.300.00.20.40.60.81.01.2电压(V)时间(h)100mA/g 200mA/g 500mA/g2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会超级电容炭的循环伏安曲线超级电容炭的循环伏安曲线 1.00.80.60.40.20.0-0.04-0.020.000.020.04电流(A)电压(V)2mv/s8mv/s2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会微波活化特殊效应微波活化特殊效应 n内外部同时加热n微爆炸效应2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会微波加热与常

12、规加热对比微波加热与常规加热对比2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会微波加热替代常规电阻炉加热的优势微波加热替代常规电阻炉加热的优势 常规加热时，热流从物料外部由表及里进行传导加热，活化过程中物料表层孔隙被烧蚀垮塌后心部孔隙才能形成。因此常规活性碳微球内外孔径不均匀、致密度低，振实密度低。 而微波加热时，物料的加热是通过高频电磁场介质损耗而加热。微波辐照时物料表层与心部同时加热，不必等到表层孔隙被烧蚀垮塌心部孔隙即可形成。因而微波活性碳微球内外孔径均匀、致密度高，振实密度高。2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会铅炭超级电池

13、原理图铅炭超级电池原理图2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会铅炭超级电池结构图铅炭超级电池结构图2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会铅炭超级电池样品铅炭超级电池样品2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会 （1）回收率高（97%） （2）安全性好（无易燃成分） （3）基础好（无须大量投入） （4）价格低廉 1KWh（HEV辅助动力）： Ni-MH $2000 （近期价格） Li-ion $1000 （预期价格） Pb-C $250 （近期价格）铅炭超级电池优势铅炭超级电池优势2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会Cycling performance

14、of flooded SLI battery,improved flooded SLI battery and flooded UltraBattery2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会电池类型指标1#2#3#4#HD4-1%开路/V13.4413.4313.4613.49内阻/m11.510.911.712.4HD4-2%开路/V13.4213.4713.4113.46内阻/m11.110.910.511.3对比电池开路/V13.3913.3913.4113.40内阻/m13.212.812.612.9铅炭电池与对比电池的开路及内阻对比铅炭电池与对比电池的开路及内阻对比 2021-9-23第12届全国铅酸蓄电池学术年会 小小 结结n与常规铅酸电池相比，铅炭超级电池性能提升已初见成效；n铅炭超级电