超級電容器的發(fā)展與應用

1、1,超級電容器的技術發(fā)展與應用,2015.11.13 南通,楊裕生,2,超級電容器的主要不足是比能量不高，而電池的主要問題是要提高比功率和延長循環(huán)壽命，二者并聯(lián)使用在一定程度上可以互補而得較好的效果。,一、電池與超級電容器的融合,外并電池與超級電容器并聯(lián)使用,并聯(lián)電源的比功率和壽命 比電池提高,電路復雜、體積龐大、價格昂貴、使用不便,3,近些年，超級電容器和電池進行內部“融合”，即超級電容器里加入電池的電極材料，也在電池中添加活性炭。,電池中增加電容器功能，提高比功率和壽命,超級電容器中融合電池材料，比能量有所提高,優(yōu)越性：省去并聯(lián)線路；自動調整電壓 簡化管理系統(tǒng)；加快電池充電,電容器與電池的

2、“外并”改“內并”,4,隨著研究的進展，衍生出許多不同的組合方式，取了許多新名稱，雖然大多數(shù)的組合方式與名稱相符，但也有個別是有意無意的名不符實。 應該整理一下 首先劃分“電池的變種”與“電容器的變種”，然后再行細分，并研究機理。,5,超級電容器,兩個電極均以雙電層原理蓄電的儲能器件,超級電容器主要用活性炭（大 比表面的炭）作為活性物質,超級電容器的電解液 水溶液體系：酸、堿、中性 有機溶液體系電壓高,超級電容器及其變種,超級電容器的比能量低,6,1、混合型超級電容器簡稱混合電容器,一個電極以雙電層原理蓄電、另一個為電池電極的儲能器件,例1：正極PbO2,負極活性炭,例2:正極NiOOH,負極

3、活性炭,水溶液電解質,advanced lead-acid batteries（美國？）,7,比功率、比能量、充-放電壽命介于 電池與超級電容器之間，接近超級電容器,例3:正極活性炭,負極Li4Ti5O12,有機溶液電解質,1、混合型超級電容器（續(xù)）簡稱混合電容器,混合（不對稱）電容器兼收兩者的優(yōu)點 也繼承了兩者的缺點兩者的折衷,例4:正極活性炭,負極能嵌鋰的碳(江海),8,2、混合型電池電容器,混合型超級電容器的活性炭正極中 混入鋰離子電池正極材料,國外報道,成都有機所,A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160,正極：活性炭電極 60-45

4、% 加15-30% LiMn2O4 負極：Li4Ti5O12,Xuebo Hu et.al J PowerSources187(2009)635,4C恒電流下：14.47Wh/kg，5000次衰減8%,正極：活性炭電極 加少部分 LiCoO2 負極：Li4Ti5O12,活性炭仍為主,9,電池中的電極與活性炭電極并聯(lián),電池添加活性炭的變種,電池的電極中混入少部分活性炭電容型電池,10,1、超級電池鉛酸電池鉛負極并聯(lián)炭電極,鉛酸電池,混合電容器,超級電池 UltraBattery,L.T.Lam & R.Louey J Power Sources 158(2006)1140,+,11,2、電池的電

5、極中混入活性炭電容型電池,將活性炭混入鉛酸電池負極 活性炭混入鋰離子電池正極 （江蘇常州，遼寧朝陽，2011年6月） 活性炭混入鎳氫電池負極 （天津國泰之光研究院，2011年9月）,混入活性炭的效果： (+) 比功率提高 循環(huán)性改善 (-) 比能量減低活性炭占了電極部分位置 可能增加電極析氣量和調漿、涂佈難度,12,2.1 電容型鉛酸電池 “鉛炭電池” 炭加到入鉛酸電池的負極中,鉛酸電池,混合電容器,鉛炭電池,較超級電池 工藝簡單,13,2.2 電容型鋰離子電池,常州 華日升凱晟能源科技有限公司 2011年6月會議，7月技術論證咨詢會 “高功率、高能量和高安全性 磷酸鐵鋰鋰離子動力電容電池 ”

6、,朝陽 立塬新能源有限公司 2011年6月會議，2012年1月成果鑒定會 正極：LiFePO4 加活性炭 ； 負極：碳,鋰離子電池正極中加入活性炭活性炭為輔,正極：LiFePO4 加活性炭 ； 負極：碳,功率型： 78Wh/kg， 3000次衰減至65.8Wh/kg（84%） 2243W/kg；20下，71.2Wh/kg； 能量型：117Wh/kg，500次容量保持97.0% 1740W/kg；20下，94.2Wh/kg,14,“鎳碳超級電容器”,科技日報2010年9月報道,鎳氫電池的負極中加入活性炭,活性炭在負極中占30% 儲氫合金占主導地位,鎳氫電池的基本結構未變 電池負極中的活性炭占小頭

7、活性炭為輔,2.3 電容型鎳氫電池,上述的名稱都較長，是為了準確、全面地反映蓄電器件的實質。 當然，應該允許有簡稱，但是無論如何簡化， 是“電池”還是“電容器”必須正確地表達清楚，不要混淆。,15,小結：超級電容器與電池的變種,16,根據(jù)市場的需要，在盡量保持長壽命和高功率的同時,努力提高提高比能量,二、超級電容器的技術發(fā)展動向,提高電極的比電容 新型高比容量碳材料,1、提高比能量,石墨烯作電極導電添加劑 多孔石墨烯、立體石墨烯主材料,價格？,多孔電容炭材料性能要求,1、高比表面 1000m2/g 2、高中孔率-合理的孔結構 3、高電導率 4、高的堆積比重 5、高純度-灰份 0.1% 6、高性

8、價比 7、對電解液具有良好的浸潤性 8、析氣少,各指 標間 相互 矛盾,高性能、低成本電容炭,電容炭主要靠進口,防化研究院中試連續(xù)性生產(chǎn)線,BTR公司工程化生產(chǎn)線6月通過鑒定,SBP-BF4,提高電解液的分解電壓 減小電解質離子半徑3.0V，比能量23%,四氟硼酸四乙銨,四氟硼酸螺環(huán)季銨,4個乙基兩兩成環(huán) 提高穩(wěn)定性 減小體積,問題：正極的穩(wěn)定壽命,3、增長壽命,減少炭材料的雜質和水分，調節(jié)官能團,2、提高比功率,鋁箔預先涂覆導電炭層，增強活性層與鋁箔的電接觸，降低電極內阻,4、環(huán)?；?開發(fā)高安全性、高性能超級電容器 研究無毒的溶劑，替代乙腈,長壽命和高功率是雙電層超級電容器的兩大優(yōu)勢 不宜過

9、分追求高比能量而犧牲它們,1、超級電容器在電動汽車中的應用,混合動力汽車 汽車啟停系統(tǒng) 燃料電池汽車 城市軌道交通 純電動汽車,與其他能量部件（發(fā)動機、蓄電池、燃料電池）并聯(lián)工作： 提供車輛啟動需求的高功率 承受制動能量全回饋的高功率沖擊 承受大電流快速充電的高功率沖擊,如果是內燃機可減小其設計功率，減輕重量，節(jié)省油料，降低污染； 如是燃料電池適應路況需求 各種蓄電池延長電池壽命，節(jié)省電能,效果,三、超級電容器的應用,新能源汽車單獨應用超級電容器,“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車示范工程以混合動力為主,(深圳市今朝時代公司2012年提供),南車2011年生產(chǎn)了1000輛超級電容器混合動力客車,C/

10、C有機體系超級電容器，是回收剎車能量的首選。 適合在混合電動車使用，節(jié)油率15%-20%,1、以鉛酸電池+電容器為電源（北京科凌）,增程式電動公交車,從北京開到揚州 兩天1100公里 中途充電一次,百公里油耗19L (均速50km/h下),2、以鎳-炭混合電容器為電源（青年-巨容）,（還有以鋰離子電池為電源）,城市公共交通,城市無軌電車上海奧威鎳碳混合電容器 城市軌道交通寧波南車炭炭超級電容器 快速充電電源寧波南車炭炭超級電容器 避免對電網(wǎng)的沖擊,問題：車價昂貴；充電站多,只有電動機驅動 故屬純電驅動,行駛前電池組充電途中小功率發(fā)電機在最佳工況下發(fā)電節(jié)能,發(fā)電機與電源組并聯(lián)驅動電動機 也給電源充電,50公里內不用油；長途仍需用油 但可省油一半以上,高