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1、1,超级电容器的技术发展与应用,2015.11.13 南通,杨裕生,2,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,外并电池与超级电容器并联使用,并联电源的比功率和寿命 比电池提高,电路复杂、体积庞大、价格昂贵、使用不便,3,近些年，超级电容器和电池进行内部“融合”，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。,电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命,超级电容器中融合电池材料，比能量有所提高,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,电容器与电池的
2、“外并”改“内并”,4,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与名称相符，但也有个别是有意无意的名不符实。 应该整理一下 首先划分“电池的变种”与“电容器的变种”，然后再行细分，并研究机理。,5,超级电容器,两个电极均以双电层原理蓄电的储能器件,超级电容器主要用活性炭（大 比表面的炭）作为活性物质,超级电容器的电解液 水溶液体系：酸、碱、中性 有机溶液体系电压高,超级电容器及其变种,超级电容器的比能量低,6,1、混合型超级电容器简称混合电容器,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,例1：正极PbO2,负极活性炭,例2:正极NiOOH,负极
3、活性炭,水溶液电解质,advanced lead-acid batteries（美国？）,7,比功率、比能量、充-放电寿命介于 电池与超级电容器之间，接近超级电容器,例3:正极活性炭,负极Li4Ti5O12,有机溶液电解质,1、混合型超级电容器（续）简称混合电容器,混合（不对称）电容器兼收两者的优点 也继承了两者的缺点两者的折衷,例4:正极活性炭,负极能嵌锂的碳(江海),8,2、混合型电池电容器,混合型超级电容器的活性炭正极中 混入锂离子电池正极材料,国外报道,成都有机所,A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160,正极：活性炭电极 60-45
4、% 加15-30% LiMn2O4 负极：Li4Ti5O12,Xuebo Hu et.al J PowerSources187(2009)635,4C恒电流下：14.47Wh/kg，5000次衰减8%,正极：活性炭电极 加少部分 LiCoO2 负极：Li4Ti5O12,活性炭仍为主,9,电池中的电极与活性炭电极并联,电池添加活性炭的变种,电池的电极中混入少部分活性炭电容型电池,10,1、超级电池铅酸电池铅负极并联炭电极,铅酸电池,混合电容器,超级电池 UltraBattery,L.T.Lam & R.Louey J Power Sources 158(2006)1140,+,11,2、电池的电
5、极中混入活性炭电容型电池,将活性炭混入铅酸电池负极 活性炭混入锂离子电池正极 （江苏常州，辽宁朝阳，2011年6月） 活性炭混入镍氢电池负极 （天津国泰之光研究院，2011年9月）,混入活性炭的效果： (+) 比功率提高 循环性改善 (-) 比能量减低活性炭占了电极部分位置 可能增加电极析气量和调浆、涂佈难度,12,2.1 电容型铅酸电池 “铅炭电池” 炭加到入铅酸电池的负极中,铅酸电池,混合电容器,铅炭电池,较超级电池 工艺简单,13,2.2 电容型锂离子电池,常州 华日升凯晟能源科技有限公司 2011年6月会议，7月技术论证咨询会 “高功率、高能量和高安全性 磷酸铁锂锂离子动力电容电池 ”
6、,朝阳 立塬新能源有限公司 2011年6月会议，2012年1月成果鉴定会 正极：LiFePO4 加活性炭 ； 负极：碳,锂离子电池正极中加入活性炭活性炭为辅,正极：LiFePO4 加活性炭 ； 负极：碳,功率型： 78Wh/kg， 3000次衰减至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,“镍碳超级电容器”,科技日报2010年9月报道,镍氢电池的负极中加入活性炭,活性炭在负极中占30% 储氢合金占主导地位,镍氢电池的基本结构未变 电池负极中的活性炭占小头
7、活性炭为辅,2.3 电容型镍氢电池,上述的名称都较长，是为了准确、全面地反映蓄电器件的实质。 当然，应该允许有简称，但是无论如何简化， 是“电池”还是“电容器”必须正确地表达清楚，不要混淆。,15,小结：超级电容器与电池的变种,16,根据市场的需要，在尽量保持长寿命和高功率的同时,努力提高提高比能量,二、超级电容器的技术发展动向,提高电极的比电容 新型高比容量碳材料,1、提高比能量,石墨烯作电极导电添加剂 多孔石墨烯、立体石墨烯主材料,价格？,多孔电容炭材料性能要求,1、高比表面 1000m2/g 2、高中孔率-合理的孔结构 3、高电导率 4、高的堆积比重 5、高纯度-灰份 0.1% 6、高性
8、价比 7、对电解液具有良好的浸润性 8、析气少,各指 标间 相互 矛盾,高性能、低成本电容炭,电容炭主要靠进口,防化研究院中试连续性生产线,BTR公司工程化生产线6月通过鉴定,SBP-BF4,提高电解液的分解电压 减小电解质离子半径3.0V，比能量23%,四氟硼酸四乙铵,四氟硼酸螺环季铵,4个乙基两两成环 提高稳定性 减小体积,问题：正极的稳定寿命,3、增长寿命,减少炭材料的杂质和水分，调节官能团,2、提高比功率,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,4、环保化,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,长寿命和高功率是双电层超级电容器的两大优势 不宜过
9、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,混合动力汽车 汽车启停系统 燃料电池汽车 城市轨道交通 纯电动汽车,与其他能量部件（发动机、蓄电池、燃料电池）并联工作： 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 承受大电流快速充电的高功率冲击,如果是内燃机可减小其设计功率，减轻重量，节省油料，降低污染； 如是燃料电池适应路况需求 各种蓄电池延长电池寿命，节省电能,效果,三、超级电容器的应用,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,(深圳市今朝时代公司2012年提供),南车2011年生产了1000辆超级电容器混合动力客车,C/
10、C有机体系超级电容器，是回收刹车能量的首选。 适合在混合电动车使用，节油率15%-20%,1、以铅酸电池+电容器为电源（北京科凌）,增程式电动公交车,从北京开到扬州 两天1100公里 中途充电一次,百公里油耗19L (均速50km/h下),2、以镍-炭混合电容器为电源（青年-巨容）,（还有以锂离子电池为电源）,城市公共交通,城市无轨电车上海奥威镍碳混合电容器 城市轨道交通宁波南车炭炭超级电容器 快速充电电源宁波南车炭炭超级电容器 避免对电网的冲击,问题：车价昂贵；充电站多,只有电动机驱动 故属纯电驱动,行驶前电池组充电途中小功率发电机在最佳工况下发电节能,发电机与电源组并联驱动电动机 也给电源充电,50公里内不用油；长途仍需用油 但可省油一半以上,高功率电池或储能电池+超电容 提供回收电能,增程式电动汽车(EREV),科技部863计划支持增程式电动轿车和客车了,2、超级电容器在电网中应用,比能量低，限制了它在规模蓄电中应用,用于：电网的调频； 瞬时电压波动的平抑 风力发电机的浆距调节,回收位能： 港机 电梯 要努力开发,3、超级电容器在节能中应用,28,谢谢！,
