石墨烯超級(jí)電容器-雅軒淋淋

石墨烯超級(jí)電容器的制造技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展雅軒淋淋主要內(nèi)容不同儲(chǔ)能器件的介紹石墨烯超級(jí)電容器的研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)外石墨烯生產(chǎn)現(xiàn)狀應(yīng)用進(jìn)展結(jié)論一、不同的儲(chǔ)能器件介紹超級(jí)電容器鉛酸電池鎳鎘電池普通電容器鋰離子電池蓄電池3儲(chǔ)能特點(diǎn)：功率密度（W/kg)指的是單位重量的電池在放電時(shí)可以以何種速率進(jìn)行能量輸出。能量密度（Wh/kg）是指單位重量的電池所儲(chǔ)存的能量是多少。4儲(chǔ)能機(jī)理：充放電特點(diǎn)：快速大功率；慢速大容量。5石墨烯作為超級(jí)電容器電極材料的優(yōu)勢(shì)①石墨烯具有大的比表面積單層石墨烯的比表面積理論值達(dá)到2630m2/g。②石墨烯的平面片狀結(jié)構(gòu)有利于電解液的浸潤(rùn)和離子的吸附/解吸，提高電容器的儲(chǔ)能密度和功率特性。石墨烯片層搭接形成的穩(wěn)定介孔結(jié)構(gòu)，能增大電容器有效利用的雙電層面積。③石墨烯片層具有優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性——降低內(nèi)電阻。并提高其散熱性能，從而提高電容器的充放電速率和功率密度。6二、石墨烯超級(jí)電容器的研究進(jìn)展1.美國(guó)研制超級(jí)電池：幾秒鐘內(nèi)完成手機(jī)充電最近美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車充電，同時(shí)可用于制造體積較小的器件。30min-1007Science,2012,335(6),1326-1330有望用于高能、柔性電子產(chǎn)品中。82.科學(xué)家用石墨烯合成新型碳材料——KOH活化

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校機(jī)械工程系材料科學(xué)與工程教授RodneyS.Ruoff領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)成功制備出一種由石墨烯衍生出的新型三維多孔碳材料。3100m2/g

利用該材料作為電極組裝成的超級(jí)電容器，其能量密度(70Wh/kg)可達(dá)到鉛酸電池的水平，同時(shí)還保持超級(jí)電容器固有的高功率輸出和極快的充電速度(250kw/kg)，有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車以及解決風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源的存儲(chǔ)問(wèn)題。Science,

2011,

332(24).1537-154193.美研制新型超級(jí)電容器，儲(chǔ)能打破世界紀(jì)錄——卷曲的石墨烯美國(guó)俄亥俄州代頓市NanotekInstruments公司新研制的石墨烯基超級(jí)電容器在室溫下可以達(dá)到85.6Wh/kg(80℃時(shí)為130Wh/kg)的能量密度，相當(dāng)于鎳氫電池的儲(chǔ)能，卻能在幾秒或者幾分鐘內(nèi)放電完畢，有望取代電池。通過(guò)彎曲和卷曲石墨烯片，電解液可以更大比例的和石墨烯表面進(jìn)行接觸，從而提高儲(chǔ)存電量。鎳氫電池和鋰離子電池分別為40-100Wh/kg和120Wh/kg。10μmNanoLett.2010,10,4863-–4868104.超薄平面石墨烯超級(jí)電容器傳統(tǒng)超級(jí)電容器中，碳材料相對(duì)于集流體無(wú)規(guī)取向，從而限制了電解液在石墨面內(nèi)的有效滲透。面內(nèi)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了電解液與每一層碳的作用，從而充分利用了石墨烯較高的表面積?！妹繉邮┑谋砻鎭?lái)儲(chǔ)存能量。NanoLett.2011,11,1423–1427多層還原氧化石墨烯采用層層自組裝（LBL）的方法。萊斯大學(xué)與韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的研究人員采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)充分發(fā)揮石墨烯平面內(nèi)的導(dǎo)電性。11

日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）通過(guò)在石墨烯中添加CNT來(lái)制作電極，在石墨烯中添加CNT之后，CNT會(huì)通過(guò)自組裝方式自然地進(jìn)入石墨烯中。這制造了適當(dāng)?shù)拈g隙，使電流及離子的密度增加。NIMS采用該電極與水性電解液制造EC時(shí)發(fā)現(xiàn)，電極單位重量的輸出功率密度為58.5kW/kg，單位重量的能量密度為62.8Wh/kg，“分別是采用活性炭電極時(shí)的10倍”（NIMS）。采用離子液體作為電解液時(shí)，能量密度進(jìn)一步提高到了155.6Wh/kg。5.通過(guò)添加CNT實(shí)現(xiàn)高性能126.蘭州化物所超級(jí)電容器用石墨烯電極材料研究獲進(jìn)展——基質(zhì)在中科院“百人計(jì)劃”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室低維材料與化學(xué)儲(chǔ)能課題組通過(guò)簡(jiǎn)單的刷涂和熱處理技術(shù)制備了石墨烯/棉布柔性電極，并組裝成電容器，研究了其在水系和離子液體電解液中的電化學(xué)性能。結(jié)果表明，石墨烯/棉布柔性電極具有較高的比容量、功率密度、能量密度以及良好的穩(wěn)定性，是一種價(jià)格低廉、環(huán)境友好的電極材料。J.Mater.Chem.,2012,22,17245–1725313三、國(guó)內(nèi)外石墨烯生產(chǎn)現(xiàn)狀國(guó)外：XGSciences的x-GnP已經(jīng)被美國(guó)空軍研究院選作超高能量超級(jí)電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)。1415國(guó)內(nèi)：金路集團(tuán)；中國(guó)寶安；中航三鑫。產(chǎn)品：氧化石墨烯和石墨烯微片。用途：鋰電和超級(jí)電容器的電極；導(dǎo)電添加劑；導(dǎo)熱薄膜；防腐涂料；增強(qiáng)劑。目前，他們已自行開發(fā)出扣式石墨烯超級(jí)電容器和卷繞式石墨烯超級(jí)電容器，并在設(shè)計(jì)中試生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)明年9月可建成投產(chǎn)。上海交通大學(xué)的郭守武教授課題組0.5元/克16超級(jí)電容器儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)：瞬時(shí)大功率快速充放電循環(huán)次數(shù)多（壽命長(zhǎng)）使用溫度范圍寬四、應(yīng)用進(jìn)展小功率小：3~50F中：90~360F大：600~5000F17小功率超級(jí)電容器的應(yīng)用：1、在有記憶儲(chǔ)存功能的電子產(chǎn)品中做后備電源，數(shù)據(jù)保護(hù)和備份，適用于帶CPU的智能家電、電表、稅控機(jī)、控制器、空調(diào)、錄音機(jī)、MP3、汽車音響、電話機(jī)、太陽(yáng)能燈、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。2、用作小功率器件的電源，如：智能水表、燃?xì)獗?、消毒柜、電子門鎖、太陽(yáng)能設(shè)備、數(shù)字機(jī)頂盒、玩具等。中型超級(jí)電容器的應(yīng)用：為工業(yè)應(yīng)用提供更持久的連接性和功能性，例如，風(fēng)車音調(diào)控制系統(tǒng)、機(jī)器人、DVR(動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器)，室內(nèi)起重機(jī)。其他應(yīng)用包括電動(dòng)工具和LED手電筒。大型超級(jí)電容器的應(yīng)用：重型動(dòng)力應(yīng)用，如電車、軍事、和其他車輛。18目前的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)狀況未來(lái)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)狀況預(yù)測(cè)市場(chǎng)及前景19運(yùn)輸1.混合電動(dòng)車（以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿Γ远坞娫醋鳛檩o助動(dòng)力）超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)：1)

超級(jí)電容器能夠提供優(yōu)越的動(dòng)力性能：超級(jí)電容器具有非常高的功率密度，因此能較好地滿足車輛在啟動(dòng)、加速、爬坡時(shí)對(duì)瞬時(shí)大功率的要求。2)超級(jí)電容器具有非常高的能量回收率：超級(jí)電容器的快速充電及超高次數(shù)充放電循環(huán)特性，能夠有效回收車輛制動(dòng)過(guò)程中的能量，從而在節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮作用。3)超級(jí)電容器能夠延長(zhǎng)動(dòng)力電池壽命：超級(jí)電容器與動(dòng)力電池配合使用作為純電動(dòng)車的能源時(shí)，可減少大電流充放電對(duì)電池的損害，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。4)超級(jí)電容器能夠提高車輛的低溫運(yùn)行能力，超級(jí)電容器工作范圍很寬，可以在-40～+70℃溫度范圍內(nèi)正常工作。20以超級(jí)電容器為脫線運(yùn)行動(dòng)力的變頻驅(qū)動(dòng)空調(diào)無(wú)軌電車的實(shí)測(cè)結(jié)果如下：一次充電公交模式續(xù)行里程7.9km，平均車速22km/h，電容器輸出能量5kw。續(xù)行里程測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行充電測(cè)試，充足電時(shí)間為90s。0→40km/h加速時(shí)間為16.5s。最高車速為44.8km/h。7.8%坡道上駐坡后，順利通過(guò)爬坡。再生制動(dòng)能量回收明顯。2.純電容電動(dòng)汽車（上海11路公交車-奧威科技）61輛公交車，在上海世博會(huì)運(yùn)行172天時(shí)間里運(yùn)送旅客4000多萬(wàn)人次。21法國(guó)bollore和法國(guó)電力公司合作得到的BatScapBluecar-brochure-en，該車于2012年日內(nèi)瓦車展“綠色展覽館”上展出。BlueCar采用Batscap的LMP電池與超大電容器可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)250公里的續(xù)航里程，極速可以達(dá)到130km/h，加速可達(dá)到60km/h需要6.3s。3.超級(jí)電容和鋰動(dòng)力電池混合動(dòng)力技術(shù)上海825路、上海老牌公交電車線20路、國(guó)家電網(wǎng)公司贈(zèng)送給山東的十輛奧運(yùn)會(huì)用電動(dòng)汽車及電力工程用車都采用此混合動(dòng)力總成技術(shù)。224.超級(jí)電容與燃料電池組合而成的客車混合動(dòng)力系統(tǒng)日本本田公司“FCX”燃料電池車安裝了高效超電容器模組，并分別于2002年7月和2002年11月獲得了美國(guó)和日本政府的銷售許可，成為世界上第一款取得美國(guó)政府銷售許可的燃料電池車。5.與蓄電池聯(lián)用（車輛低溫啟動(dòng)，電叉車）2007年底，日本小松叉車推出采用超級(jí)電容器與蓄電池混合動(dòng)力技術(shù)的電動(dòng)叉車。6.超級(jí)電容在軌道車輛能量回收中的應(yīng)用為了節(jié)約主能源同時(shí)克服能量?jī)?chǔ)運(yùn)耗損，在歐洲、美國(guó)和中國(guó)的一些城市運(yùn)輸權(quán)威正在安裝由西門子TS工程師開發(fā)的Sitras?SES新一代能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。北京地鐵5號(hào)線采用了4套德國(guó)西門子公司Sitras?SES電容儲(chǔ)能式再生電能吸收裝置，目前已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)。這是國(guó)內(nèi)首批采用電容吸收方式的系統(tǒng)。23戰(zhàn)車混合電傳動(dòng)系統(tǒng)激光武器艦用電磁炮坦克低溫啟動(dòng)太陽(yáng)能風(fēng)能海洋能新能源軍事應(yīng)用24風(fēng)力發(fā)電兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)，在槳距調(diào)節(jié)過(guò)程中，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)為變槳系統(tǒng)提供動(dòng)力。目前主要的儲(chǔ)能系統(tǒng)有蓄電池和超級(jí)電容器兩種方案。在使用過(guò)程中，逐漸發(fā)現(xiàn)蓄電池有一些難以克服的缺點(diǎn)：蓄電池的充放電特性不好，充電時(shí)間長(zhǎng)，充電、放電電流不能太大；蓄電池需要維護(hù)，而變槳系統(tǒng)安裝在100米高的風(fēng)機(jī)上，維護(hù)成本太大；蓄電池的低溫特性不好，在寒冷季節(jié)容量會(huì)衰減；蓄電池的循環(huán)壽命短，可靠性不強(qiáng)。

超級(jí)電容器的特點(diǎn)突出：高效率、大電流放電、寬電壓范圍、寬溫度范圍、狀態(tài)易監(jiān)控、長(zhǎng)循環(huán)壽命、長(zhǎng)工作壽命、免維護(hù)、環(huán)保。因此它極為適合在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這樣的工況環(huán)境中工作。風(fēng)力發(fā)電變槳用超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)主要為了使葉輪對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率能夠滿足電機(jī)的所能承受的狀態(tài)，在不同的風(fēng)速條件下設(shè)定其合適的變槳角度，以滿足發(fā)電機(jī)所處的工作狀態(tài)在最優(yōu)狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電變槳用超級(jí)電容器儲(chǔ)能電源的基本工作原理為：平時(shí)，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能輸入充電機(jī)，充電機(jī)為超級(jí)電容器儲(chǔ)能電源充電，直至超級(jí)電容器儲(chǔ)能電源達(dá)到額定電壓。當(dāng)需要為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，驅(qū)動(dòng)變槳系統(tǒng)工作。國(guó)外風(fēng)機(jī)廠家為了保證整個(gè)風(fēng)機(jī)的可靠性，都陸續(xù)使用超級(jí)電容器作為解決方案。國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)廠家風(fēng)力發(fā)電變槳儲(chǔ)能系統(tǒng)上有的使用蓄電池方案，有的在使用引進(jìn)的國(guó)外成套變槳系統(tǒng)方案包含有國(guó)外超級(jí)電容器儲(chǔ)能電源。25五、結(jié)論1.石墨烯超級(jí)電容器電極材料設(shè)計(jì)——電極材料有較大的比表面積，且