超级电容器的技术发展

1、1超级电容器的技术发展超级电容器的技术发展与应用与应用杨裕生杨裕生2 超级电容器的主要不足是比能量不高，而电池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。并联使用在一定程度上可以互补而得较好的效果。一、电池与超级电容器的融合一、电池与超级电容器的融合并联电源的比功率和寿命并联电源的比功率和寿命 比电池提高比电池提高电路复杂、体积庞大、价格昂贵、使用不便电路复杂、体积庞大、价格昂贵、使用不便电池电池控制控制器器充电器充电器充电器充电器电容器电容器3 近些年，超级电容器和

2、电池进行内部近些年，超级电容器和电池进行内部“融合融合”，即超级电容器里加入电池的电极，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。材料，也在电池中添加活性炭。 电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命超级电容器中超级电容器中比能量有所提高比能量有所提高优越性：省去并联线路；自动调整电压优越性：省去并联线路；自动调整电压 简化管理系统；加快电池充电简化管理系统；加快电池充电4 随着研究的进展，衍生出许多不同的组随着研究的进展，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，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

3、是有意无意合方式与名称相符，但也有个别是有意无意的名不符实。的名不符实。 应该整理一下应该整理一下 首先划分首先划分“电池的变种电池的变种”与与“电容器的电容器的变种变种”，然后再行细分，并研究机理。，然后再行细分，并研究机理。5超级电容器超级电容器两个电极均以两个电极均以双电层原理双电层原理蓄电蓄电的储能器件的储能器件超级电容器主要用活性炭（大超级电容器主要用活性炭（大比表面的炭）作为活性物质比表面的炭）作为活性物质超级电容器的电解液超级电容器的电解液水溶液体系：酸、碱、中性水溶液体系：酸、碱、中性 有机溶液体系有机溶液体系电压高电压高超级电容器及其变种超级电容器及其变种超级电容器的比能量低

4、超级电容器的比能量低活活性性炭炭活活性性炭炭隔隔膜膜6一个电极以双电层原理蓄电、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另一个为电池电极的储能器件例例1：正极：正极PbO2,负极活性炭负极活性炭例例2: 正极正极NiOOH,负极活性炭负极活性炭水溶液电解质水溶液电解质advanced lead-acid batteries（美国？）（美国？）活活性性炭炭活活性性炭炭氧氧化化铅铅活活性性炭炭氧氧化化镍镍7比功率、比能量、充比功率、比能量、充-放电寿命放电寿命介于介于电池与超级电容器之间，接近超级电容器电池与超级电容器之间，接近超级电容器例例3: 正极活性炭正极活性炭,负极负极Li4T

5、i5O12有机溶液电解质有机溶液电解质活活性性炭炭钛钛酸酸锂锂混合（不对称）电容器兼收两者的优点混合（不对称）电容器兼收两者的优点 也继承了两者的缺点也继承了两者的缺点两者的折衷两者的折衷例例4: 正极活性炭正极活性炭,负极能嵌锂的碳负极能嵌锂的碳(江海江海)8混合型混合型超级电容器超级电容器的的A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160Xuebo Hu et.al J PowerSources187(2009)635活性炭活性炭+锂盐锂盐钛钛酸酸锂锂9电池添加活性炭的变种电池添加活性炭的变种10铅酸电池铅酸电池混合电容器混合电容器超级电池超级

6、电池UltraBatteryL.T.Lam & R.LoueyJ Power Sources158(2006)1140 PbO2活活性性炭炭Pb PbO2Pb PbO2AC1112铅酸电池铅酸电池混合电容器混合电容器铅炭电池铅炭电池较超级电池较超级电池工艺简单工艺简单 PbO2AC PbO2Pb PbO2Pb+AC13 磷酸磷酸铁锂铁锂+AC石石墨墨14氧氧化化镍镍储氢储氢合金合金+ +ACAC15分类、名称分类、名称电极材料举例电极材料举例负极负极正极正极超级超级电容电容器及器及变种变种超级电容器超级电容器活性炭活性炭活性炭活性炭混合型超级电容器混合型超级电容器活性炭活性炭氧化铅、镍

7、氧化铅、镍钛酸锂；碳钛酸锂；碳活性炭活性炭混合型电池电容器混合型电池电容器钛酸锂钛酸锂活性活性炭炭+ +电池电池添加添加活性活性炭的炭的变种变种PbO2PbO2+ +活性活性NiO16 根据市场的需要，在尽量保持长寿命和高功率的根据市场的需要，在尽量保持长寿命和高功率的同时同时,努力提高提高比能量努力提高提高比能量二、超级电容器的技术发展动向二、超级电容器的技术发展动向提高电极的比电容提高电极的比电容 新型高比容量碳材料新型高比容量碳材料 石墨烯作电极导电添加剂石墨烯作电极导电添加剂多孔石墨烯、立体石墨烯多孔石墨烯、立体石墨烯主材料主材料价格？价格？多孔电容炭材料性能要求多孔电容炭材料性能要求

8、1 1、比表面比表面 1000m 1000m2 2/g/g2 2、中孔率中孔率-合理的孔结构合理的孔结构3 3、电导率电导率4 4、的堆积比重的堆积比重5 5、纯度纯度-灰份灰份 0.1% 0.1%6 6、性价比性价比7 7、对电解液具有良好的浸润性、对电解液具有良好的浸润性8 8、析气少析气少各指各指标间标间相互相互矛盾矛盾高性能、低成本电容炭高性能、低成本电容炭电容炭主要靠进口电容炭主要靠进口防化研究院中试连续性生产线防化研究院中试连续性生产线BTR公司工程化生产线公司工程化生产线6 6月通过鉴定月通过鉴定SBP-BFSBP-BF4 4提高电解液的分解电压提高电解液的分解电压 减小电解质离

9、子半径3.0V3.0V，比能量，比能量23%23%B F4N NB F4N N四氟硼酸四乙铵四氟硼酸四乙铵四氟硼酸螺环季铵四氟硼酸螺环季铵4个乙基两两成环个乙基两两成环提高稳定性提高稳定性减小体积减小体积问题：正极的稳定寿命问题：正极的稳定寿命减少炭材料的杂质和水分，调节官能团减少炭材料的杂质和水分，调节官能团铝箔预先涂覆导电炭层，增强活性层与铝箔的电铝箔预先涂覆导电炭层，增强活性层与铝箔的电接触，降低电极内阻接触，降低电极内阻开发高安全性、高性能超级电容器开发高安全性、高性能超级电容器研究无毒的溶剂，替代乙腈研究无毒的溶剂，替代乙腈长寿命和高功率是双电层超级电容器的两大优势长寿命和高功率是双

10、电层超级电容器的两大优势不宜过分追求高比能量而牺牲它们不宜过分追求高比能量而牺牲它们1、超级电容器在电动汽车中的应用、超级电容器在电动汽车中的应用混合动力汽车混合动力汽车汽车启停系统汽车启停系统燃料电池汽车燃料电池汽车城市轨道交通城市轨道交通纯电动汽车纯电动汽车与其他能量部件（发动机、蓄与其他能量部件（发动机、蓄电池、燃料电池）并联工作电池、燃料电池）并联工作：提供车辆启动需求的高功率提供车辆启动需求的高功率承受制动能量全回馈的高功率冲击承受制动能量全回馈的高功率冲击承受大电流快速充电的高功率冲击承受大电流快速充电的高功率冲击如果是内燃机如果是内燃机可减小其设计功率，减轻可减小其设计功率，减轻

11、重量，节省油料，降低污染；重量，节省油料，降低污染；如是燃料电池如是燃料电池适应路况需求适应路况需求各种蓄电池各种蓄电池延长电池寿命，节省电能延长电池寿命，节省电能 三、超级电容器的应用三、超级电容器的应用新能源汽车单独应用超级电容器新能源汽车单独应用超级电容器“十城千辆”节能与新能源汽车示范工程以混合动力为主能源构成能源构成比例比例主要采用厂家主要采用厂家 油油+ +超级电容超级电容67%67%南车时代、宇通客车、海格客车南车时代、宇通客车、海格客车油油+ +超级电容超级电容+ +锂电池锂电池7%7%金旅客车、中通客车、大金龙金旅客车、中通客车、大金龙 油油+ +锂电池锂电池21%北汽福田、

12、五洲龙北汽福田、五洲龙锂电池纯电动锂电池纯电动5%比亚迪、众泰等比亚迪、众泰等(深圳市今朝时代公司2012年提供)南车南车2011年生产了年生产了1000辆超级电容器混合动力客车辆超级电容器混合动力客车C/CC/C有机体系超级电容器，是回收刹车能量的首选。有机体系超级电容器，是回收刹车能量的首选。在混合电动车使用，节油率在混合电动车使用，节油率15%-20%15%-20%城市公共交通城市公共交通城市无轨电车城市无轨电车上海奥威镍碳混合电容器上海奥威镍碳混合电容器城市轨道交通城市轨道交通宁波南车炭炭超级电容器宁波南车炭炭超级电容器快速充电电源快速充电电源宁波南车炭炭超级电容器宁波南车炭炭超级电容器 避免对电网的冲击避免对电网的冲击问题：车价昂贵；充电站多问题：车价昂贵；充电站多变变速速箱箱220V纯电动车纯电动车纯电动汽车