電化學電容器-第一章

1、1電化學電容器電化學電容器Electrochemical Capacitor (EC)華師2第一章 緒論 主要內容主要內容u電容器與電化學電容的概念及原理u電化學電容器的特點u電化學電容器的結構u電化學電容器的分類u電化學電容器的應用3第一章 緒論一 電容器與電化學電容的概念及原理1. 電容器(capacitor) 概念：概念：顧名思義，是裝電的容器，是一種容納電荷的器件。由兩片接近并相互絕緣的導體制成的電極組成的儲存電荷和電能的器件。 其每伏電壓儲存電荷的能力稱為電容電容（capacitance）結構：結構：兩個電極、絕緣電介質45發(fā)展的歷史： 最早的電容器：萊頓瓶，18世紀中葉 電量的定量

2、化：法拉第定律，Q= I.t 電子的表征及性質測量：電的波粒二象性 金屬的電子理論：電容器充放電的機理6概念：概念： 是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能元件。又稱作超大容量電容器（Ultracapacitor）和超級電容器（Supercapacitor）。 原理：原理：利用電極表面形成的電雙層或發(fā)生的二維或準二維法拉第反應儲存電能。2. 電化學電容(Electrochemical Capacitor)的概念及原理7 1957年，Becker第一個申請了專利：碳電極雙層型，水性電解質 Becker后，美國Sohio公司開始研制非水溶劑碳材料雙層電容，獲得了較高工作電壓 1975-1981年

3、間：Conway等開發(fā)了貴金屬準電容體系和固體氧化物(如RuO2)準電容體系 現(xiàn)在的商業(yè)化電化學電容器產品 軍用電化學電容器產品：Pinnacle Research公司電化學電容器的研制歷史89我國電化學電容器研制情況：我國電化學電容器研制情況： 起步較晚：上世紀80年代開始注意 90年代后才可以廣泛研究 國內主要企業(yè)：北京合眾匯能科技：核心炭材料技術領先北京集星聯(lián)合電子科技：產業(yè)鏈較為完哈爾濱巨容新能源錦州凱美能源上海奧威科技開發(fā)有限公司 江蘇雙登集團有限公司 高校： 中南大學(耐普恩+立塬) 哈爾濱工業(yè)大學（巨容） 清華大學+渤海大學（吉星+凱美） 復旦大學(奧威) 湖南大學(深圳今朝時代

4、) 10二二. 電化學電容器的特點電化學電容器的特點1. 高能量密度：1-10W.h/kg，是傳統(tǒng)電容器的10-100倍。2. 高功率密度：輸出功率密度高達數(shù)kW/kg，一般蓄電池的數(shù)十倍。適用于短時間高功率輸出的場合。3. 3. 使用壽命長：其循環(huán)壽命可達10萬次以上，比電池高10 100倍。4. 使用溫度范圍寬：可在-40o+70o的溫度范圍內使用，且容量隨溫度衰減小。電池在-20o+60o，且低溫下衰減快。115充電速度快：可大電流充電，在幾十秒內完成。 電池則慢，快速充電則會受到損害6放置時間長：自放電后重新充電可回到原來的狀態(tài)，幾年不變7解決了貯能設備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾

5、，將它與蓄電池組合起來，就會成為一個兼有高比功率輸出的貯能系統(tǒng)。8免維護，環(huán)保 1213三三. 電化學電容器的結構電化學電容器的結構 電化學電容器主要由電化學電容器主要由電極電極、電解質電解質和和隔膜隔膜組成組成，其中電極包括電極活性物質和集電極兩部分。14集電極的作用：降低電極的內阻集電極的要求：與電極接觸面積大，接觸電阻小，穩(wěn)定。集電極的常用材料-根據電解質來選擇 鈦材料：酸性電解質 鎳材料：堿性電解質 鋁材料：有機電解質15隔膜的作用：防止兩個電極物理接觸，同時允許離子通過。隔膜的電阻：與厚度成正比，與孔隙率成反比為了降低電容器的ESP，對隔膜的要求: 超薄 高孔隙率 高強度 隔膜和電解

6、液之間的潤濕性常用材料：玻璃纖維和聚丙烯膜16171819202122232425 電化學電容器的主要結構形式26 電化學電容器的主要結構形式27兩種結構電容器的優(yōu)缺點：兩種結構電容器的優(yōu)缺點：紐扣式電容器（Prismatic） 優(yōu)點：封裝密度高，且形狀和結構便于多個電容器的串聯(lián)以得到高電壓 缺點：難以容納大面積電極，且封裝外殼需承受較大壓力卷繞式電容器（Spiral Wound)：優(yōu)點：電極易于制備，且可容納大面積電極缺點：封裝密度低，且多個電容單元串聯(lián)時占用空間較大，難以在較小體積內獲得較高工作電壓。28四四. 電化學電容器的分類電化學電容器的分類根據儲能機理，可分為三類 （1）雙電層電容

7、器 （2）法拉第準電容器 （3）混合電容器292. 根據電解液的不同，可分為三類 （1）水系電化學電容器 （2）有機系電化學電解質 （3）全固態(tài)電化學電容器303. 根據電極材料的不同，可分為四種 （1）碳電極電容器 （2）金屬氧化物電極電容器 （3）導電聚合物電極電容器 （4）復合材料電極電容器314. 根據結構及電極上發(fā)生的反應，可分為兩類 （1）對稱型電化學電容器，其特點是兩個電極的組成相同，電極反應相同且反應方向相反。 （2）非對稱型電化學電容器，兩個電極組成不同或反應不同，例如由n型和p型摻雜的導電聚合物作電極的電化學電容器。32五五. 電化學電容器的應用電化學電容器的應用 根據電容

8、量、放電時間和放電量的大小，主要用作如下四類電源：1. 輔助電源：軍用、電動汽車用2. 備用電源：3. 主電源：電動玩具4. 替換電源：與太陽能電池、發(fā)光二極管結合，用于路標燈、太陽能手表等3334353637 + 電容器電容器 恒壓電路恒壓電路 俄國：莫斯科市電容公交車俄國：莫斯科市電容公交車 充電一次行駛充電一次行駛20公里公里 速度速度 25公里公里/小時小時 電容器電容器 950kg， 0.7m3 儲能儲能 50MJ 可用能可用能 10度電度電 日本：電容自行車日本：電容自行車 充電充電15秒，行駛秒，行駛20公里公里 哈爾濱：哈爾濱： 無軌電車離線行駛的電源無軌電車離線行駛的電源 上

9、海：上海：電容公交車電容公交車38上海電容公交車上海電容公交車39電動車電動車能源能源的的節(jié)能節(jié)能如果是如果是內燃機內燃機可減小其設計功率，可減小其設計功率，減輕重量，節(jié)省油料，降低污染；減輕重量，節(jié)省油料，降低污染；如是如是燃料電池燃料電池可減小，可減小， 簡化設簡化設計計如是如是各種蓄電池各種蓄電池可延長電池壽可延長電池壽命，節(jié)省電能。命，節(jié)省電能。 40HONDA燃料電池燃料電池/超級電容器小轎車超級電容器小轎車1 回收能量回收能量2 輔助啟動輔助啟動3 穩(wěn)定電源穩(wěn)定電源41日產汽車公司日產汽車公司2002年推出的年推出的超級電容器混合電動卡車超級電容器混合電動卡車4243六 電化學電容器的發(fā)展前景 電化學電容器可分為低壓產品和高壓產品，其發(fā)展方向主要如下：低壓產品 1. 縮小體積各類電子產品體積的縮小要求電容器必然小型化 2. 降低