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1、 超级电容器 目录 超级电容器 4 超级电容器的概念 什么是超级电容器 超级电容器 supercapacitor 是指相对传统电容器而言具有更高容量的一种电容器 通过极化电解质来储存能量 6 超级电容器的特点 8 超级电容器的分类 9 3 1双电层电容器 a 充电 b 放电 双电层电容原理 由于正负离子在固体电极和电解液之间的表面上分别吸附 造成两固体电极之间的电势差 从而实现能量的存储 放电时 阴阳离子离开固体电极的表面 返回电解液本体 10 3 1双电层电容器 双电层电容的优缺点 1 寿命长 能维持数百万个充电循环的寿命 2 每个周期的平均成本低 3 良好的可逆性 4 充电和放电率非常高
2、5 非常低的内部电阻和随之而来的高周期效率 95 以上 和极低的放热 6 高输出功率 7 比功率高 8 使用无腐蚀性的电解质和低毒性的材料 提高了安全性 9 简单的充电方法 不必进行过充检测 因为没有过充的可能 1 一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量一般较低 2 高自放电率 大大高于电化学电池 3 非常低的内部电阻允许极快速放电时 容易导致隔膜破裂从而发生短路 3 优点 缺点 11 3 2法拉第赝电容器 法拉第赝电容器也叫法拉第准电容 是在电极表面活体相中的二维或三维空间上 电极活性物质进行欠电位沉积 发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应 产生与电极充电电位有关的电容 这种电极系统的电压
3、随电荷转移的量呈线性变化 表现出电容特征 故称为 准电容 是作为双电层型电容器的一种补充形式 法拉第赝电容 12 3 2法拉第赝电容 机理 13 法拉第赝电容的优缺点 3 2法拉第赝电容器 法拉第赝电容器优点 在电极面积相同的情况下 法拉第赝电容器的比电容是双电层电容器的10 100倍 同时具有较大的比容量和能量密度 法拉第赝电容器缺点 由于电极反应牵涉到了化学反应过程 往往会有不可逆的成分在 所以可逆性和循环性能相对较差 14 3 3混合型超级电容器 一极采用传统的电池电极并通过电化学反应来储存和转化能量 另一极则通过双电层来储存能量的一种超级电容器 定义 混合型超级电容器是电容器研究的热点
4、 在超级电容器的充放电过程中正负极的储能机理不同 因此其具有双电层电容器和电池的双重特征 混合型超级电容器的充放电速度 功率密度 内阻 循环寿命等性能主要由电池电极决定 同时充放电过程中其电解液体积和电解质浓度会发生改变 15 3 3混合型超级电容器 锂离子电容器 结构图 16 3 3混合型超级电容器 锂离子电容器机理 电解液中的Li 嵌入到石墨层间形成嵌锂石墨 同时 电解液中的阴离子则吸附在活性炭正极表面形成双电层 Li 从负极材料中脱出回到电解液中 正极活性炭与电解液界面间产生的双电层解离 阴离子从正极表面释放 同时电子从负极通过外电路到达正极 充电 放电 17 三种超级电容器对比 三种超
5、级电容器的优缺点对比 19 超级电容器的结构 20 超级电容器的结构 超级电容器的结构示意图 21 超级电容器的结构 超级电容器的电极材料 4 22 4 1超级电容器的电极材料 1 活性炭 优势 1 成本低2 比表面积高3 实用性强4 生产制备工艺成熟5 高比容量 能达到500F g 一般为200F g 性能影响因素 研究趋势 材料复合 降低成本 23 4 1超级电容器的电极材料 2 碳纳米管 多壁纳米管 优点 高导电率 比功率高 单壁纳米管 缺点 比表面积小 成本高 因此一般作为添加剂使用 24 4 1超级电容器的电极材料 3 碳气凝胶 碳气凝胶制备方法 无水凝胶 液体CO2置换 超临界干燥
6、 气凝胶 炭化 碳气凝胶 优点 电子导电性好 缺点 制备工艺复杂所用药品毒性较大 25 4 1超级电容器的电极材料 4 石墨烯 石墨烯 Graphene 是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体 碳原子之间相互连接成六角网格 铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起 什么是石墨烯 26 4 1超级电容器的电极材料 4 石墨烯 石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称 由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性 诸如异常高的导电性和大比表面积 石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力 石墨烯基材料与传统的电极材料相比 在能量储存和释放的过程中 显示了一些新颖的特征和机制
7、什么是石墨烯超级电容器 27 4 1超级电容器的电极材料 4 石墨烯 石墨烯超级电容器的优缺点 大功率 具有非常高的电导率104 106S m 非常大的比表面积 2675m2 g 超大的杨氏模量 1TPa 超强的断裂强度 130GPa 石墨烯层间易堆积 降低了比表面积 同时也阻碍了电解液进入电极表面 快速充放电 循环稳定性强 价格较贵 5000元 g 优点 缺点 28 4 1超级电容器的电极材料 4 石墨烯 超薄平面石墨烯超级电容器 更能有效发挥石墨烯片层的双电层作用 新型设计 传统设计 层层堆叠阻碍石墨烯片层的双电层作用的发挥 石墨烯电极结构设计 石墨烯上生长纳米晶体Ni OH 2 比电容高
8、达1335Fg 1 并具有良好的电容保持特性 石墨烯上生长聚吡咯 电化学沉积聚吡咯 比电容高达1510Fg 1 面积比电容为151mFcm 2 石墨烯 赝电容材料复合电极 4 1超级电容器的电极材料 4 石墨烯 30 4 1超级电容器的电极材料 4 石墨烯 层次化聚苯胺纳米线 石墨烯 石墨烯 赝电容材料复合电极 a b RuO2纳米粒子 石墨烯 4 1超级电容器的电极材料 4 石墨烯 石墨烯 赝电容材料复合电极 4 1超级电容器的电极材料 法拉第赝电容对金属化合物的要求 4 1超级电容器的电极材料 三种主要的赝电容器电极材料 贵金属 廉价金属 导电聚合物 1 贵金属RuO2电容性能的研究 1
9、使用硫酸作为电解液 容量高 功率大 成本高 2 热分解氧化法比容量为380F g 溶胶凝胶法为768F g 2 添加W Gr Mo V Ti等的氧化物 1 降低成本 2 复合后性能提高 1 MnO2材料 溶胶凝胶法制得的MnO2水合物在KOH溶液中的比容量为689F g 2 NiO材料 溶胶凝胶法制得的多孔NiO比容量为265F g 3 多孔V2O5水合物比容量为350F g 在KCl溶液中 4 Co3O4干凝胶 1 研究情况 聚苯胺 聚对苯 聚吡咯 聚并苯 聚噻吩 聚乙炔 聚亚安酯等 2 性能特点 可快速充放电 温度范围宽 不污染环境 3 存在的问题 1 稳定性差 2 循环性能较差 WO3
10、RuO2比容量高达560F g Ru1 xGrxO2比容量高达840F g 4 1超级电容器的电极材料 导电剂 粘结剂和集流体 导电剂 导电炭黑 乙炔黑和导电石墨 粘结剂 羧甲基纤维素钠 CMC 羧基丁苯胶乳 SBR 和聚偏氟乙烯 PVDF 集流体 钛材料 酸性电解液 镍材料 碱性电解液 和铝材料 有机 离子电解液 4 2超级电容器的电解液 性能要求 电解液 4 2超级电容器的电解液 碱性电解液 KOH等 四氟硼酸甲基三乙基铵 MeEt3NBF4 按照电解液的类型可以分为水系电解液和有机系电解液 水系电解液 中性电解液 NaSO4等 酸性电解液 H2SO4等 有机 离子电解液 四氟硼酸四乙基铵
11、 Et4NBF4 4 2超级电容器的电解液 有机系超级电容器和水系超级电容器的特性对比 4 2超级电容器的电解液 有机系超级电容器的优缺点 4 2超级电容器的电解液 水系超级电容器的优缺点 4 3超级电容器的隔膜 日本高度纸业 NKK公司 和美国Celgard公司 1 用于小型超级电容器的无纺布隔膜 扣式 2 用于大型超级电容器的纤维素隔膜 卷绕式或叠层式 日本高度纸业 NKK公司 超级电容器的制作工艺 软包超级电容器制作工艺流程图 超级电容器的制作工艺 圆柱形超级电容器制作工艺流程图 超级电容器的性能指标 超级电容器的性能指标 额定容量 以规定的恒定电流 如1000F以上的超级电容器规定的充
12、电电流为100A 200F以下的为3A 充电到额定电压后保持2 3分钟 在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值 额定电压 可使用的最高安全电压 在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值 一般直接标注在电容器外壳上 如2 3V 2 5V 2 7V 如果工作电压超过电容器的耐压 电容器击穿 造成不可修复的永久损坏 额定电流 5秒内放电到额定电压一半的电流 功率密度 单位质量的输出功率 P V2 4m RESR V为超级电容器的工作电压窗口 m为活性材料的质量 RESR为等效串联电阻 超级电容器的性能指标 自放电与自漏电本质上是一样
13、的 针对超级电容器的结构 相当于在电容内部是正极和负极之间有一条高阻电流通道 这就是意味着在电容充电的时候 同时会有一个额外的附加电流 当在充电是时候 我们可以将此电流当成漏电流 当移去充电电压后 同时电容没有连接负载 这个电流使电容处于放电状态 此时我们将此电流看成自放电电流 为了可靠地测量漏电流或者放电电流 电容必须被连续充电72小时以上 这同样是由电容的结构决定的 自放电 能量密度 单位质量活性材料的能量 E 0 5CV2 C为活性材料的比容量 V为超级电容器的工作电压窗口 超级电容器的性能指标 循环寿命 20秒充电到额定电压 恒压充电10秒 10秒放电到额定电压的一半 间歇时间 10秒
14、为一个循环 一般可达500000次 寿命终了的标准为电容量低于额定容量20 等效串联电阻增大到额定值的1 5倍 循环寿命通过恒电流充放电测试 根据恒流充放电曲线可计算出比容量 由此可得到比容量与循环次数的关系 电容器的实际电流与电压的周期性变化不取决于频率 而是超出了90度的相角关系 这是因为阻抗是由电容与电阻结合 使得低于90度的相角增大 且与频率相关 其电阻成分表示为等效串联电阻 包括电解质电阻和接触电阻 等效串联电阻可以通过交流阻抗技术 EIS 测量 即是一种以小振幅的正弦波电压 或电流 为扰动信号 测定其响应电流 或电压 信号的电化学测量方法 为电化学暂态技术 超级电容器的应用 公用电
15、器 工业及医疗电器 用作小功率器件的电源 税控机 控制器 温度控制器 触摸屏 摄像头 扫描仪 投影仪 考勤钟 计数器 显示屏 彩票机 银行终端 公汽读卡器 身份识别 复印机 打印机 X光机 磁共振 道钉机 电焊机 皮带机 激光器 矿灯 工业仪表 雷管 电动工具网络通讯 中型模组 模块 工作时间不是很长的 瞬间工作的 电脑 电话 手机 信息终端 通讯站 GPS 电力数据传输风光发电 风力发电 变浆 接收转换 太阳能发电 储能 太阳能灯 警示灯 标识灯 道钉灯 地埋灯 太阳能手电交通工具 摩托车启动 机车启动 电动汽车辅助动力 汽车启动 电动自行车辅助动力 汽车音响 车载监控后备电源 开关柜 直流
16、屏 负荷调整电源 故障定位 变频器 脉冲电源 应急灯 救生绳 报警器 卷帘门 与电池配套电源 断电保护能量回收 吊车 矿井 机车 电梯 抽油机军工 战斗机 军车 坦克 雷达 精准炮弹 激光炮 电磁炮 警棍 7 1电动 混合动力城市客车 提高混合电力 燃料电池的动力效率电容用于大量 停走 加速期间或爬山时适用于观光车 市内公交车 机场等每辆车用8 12只48V模块延长电池寿命提供大电流放电及停刹车能量回收 7 2太阳能领域的应用 太阳能道钉灯 太阳能地砖灯 太阳能交通警示灯 太阳能浮标灯 太阳能光伏产品种类很多 适合使用超级电容器的有 太阳能电池太阳能 电能 夜间太阳能灯照明 7 3玩具 7 4IT产品 无线节能鼠标 免用电池 无废电池污染问题 采用超级电容 充电迅速 90 240秒 充饱一次电可以使用60 240分钟 充放电次数 500 000次 使用27 042MHz免认证无线频段 256组随机随机数配对码 采用磁性连接充电 方便迅速对位 充电电力供应使用一般USB 5V 500mA 埠 有效传送范围 约3尺 1米 每秒撷取图像1 700次 每秒位传输速度4 8k bps 分辨率80
