锂离子混合电容器
混合型超级电容器的相关理论和实验研究共3篇
混合型超级电容器的相关理论和实验研究共3篇混合型超级电容器的相关理论和实验研究1混合型超级电容器的相关理论和实验研究超级电容器是一种具有高能量密度和高电功率密度的电化学储能器件，其可充放电次数高、循环寿命长，具有良好的适应性和可靠性等优点，是一种高性能的储能器件。
混合型超级电容器是将电化学双层电容和伪电容两种不同的储能机制相结合而成的一种新型超级电容器，具有高能量密度和高输出功率密度的特点，成为近年来研究的热点之一。
混合型超级电容器的工作原理是将电解质溶液浸泡在电极材料表面，电极电荷和电解质之间存在电荷分离作用，形成双层电容贡献和伪电容贡献两个分量。
其中双层电容是由电极上的电荷分布在电解质界面上产生的电势差形成的，其储能量与电极表面积成正比。
而伪电容则是由氧化还原反应在电解质溶液中带来的电荷转移产生的，其储能量与反应物的浓度和电极材料的表面积成正比。
混合型超级电容器的电极材料主要有活性炭、金属氧化物、导电聚合物等。
活性炭是一种具有优异的比表面积和孔隙结构的材料，能够利用其丰富的孔隙结构提高电极表面积和储能效率。
金属氧化物如纳米二氧化钛、二氧化铪等具有高比表面积和优异的导电性能，且具有氧化还原反应的催化作用，能够提高伪电容的储能量。
导电聚合物如聚噻吩、聚苯胺等具有优异的传导性能和电化学稳定性，能够提高电极材料的可操作性和稳定性。
混合型超级电容器的电解质溶液主要有有机电解液和无机电解液两种类型。
有机电解液是由有机溶剂和电解质盐组成的溶液，具有高电导率、低结晶性和良好的界面活性等优点，且能够为电极提供更大的电位窗口和较高的伪电容储能贡献。
无机电解液则是由无机化合物和水组成的溶液，具有良好的电化学稳定性和较高的导电性能，但存在结晶和水解等问题。
实验研究表明，混合型超级电容器具有高能量密度、高输出功率密度、快速充放电、长循环寿命等优异性能。
在混合型超级电容器的研究中，需要解决的问题包括：提高电极材料的比表面积、优化电解质溶液的成分、提高电极与电解质的亲和性等。
锂离子电容器的发展概况
锂离子电容器的发展概况锂离子电容器（Li-ion Capacitor，简称LIC），也叫电化学混合电容器(EHC)、非对称电化学电容器，是一种介于超级电容器和电池之间的新型贮能元件，它具有比超级电容器更高的比容量和比能量及比电池更高的功率密度。
其突出特点是：(1)拥有更高的功率密度，在大电流应用场合特别是高能脉冲环境，可以更好的满足功率要求。
(2)具有介于双电层电容器和蓄电池之间的比能量。
(3)充放电循环时间很短，远远小于蓄电池的充放循环时间。
(4)可以满足长期使用，无须维护。
(5)具有更宽的工作温度范围，可以在-45℃~85℃的范围内正常工作。
图锂离子电容器的电气特性（能量密度和功率密度）锂离子电容器的发展历史及动态20世纪90年代，对电动汽车的开发以及对功率脉冲电源的需求，更刺激了人们对电化学电容器的研究。
目前电化学电容器的比能量仍旧比较低，而电池的比功率较低，人们正试图从两个方面解决这个问题：(1)将电池和超级电容器联合使用，正常工作时，由电池提供所需的动力；启动或者需要大电流放电时，则由电容器来提供，一方面可以改善电池的低温性能不好的缺点；可以解决用于功率要求较高的脉冲电流的应用场合，如GSM、GPRS等。
电容器和电池联合使用可以延长电池的寿命，但这将增加电池的附件，与目前能源设备的短小轻薄等发展方向相违背。
(2)利用电化学电容器和电池的原理，开发混合电容器作为新的贮能元件。
因此，进入20世纪90年代以后，许多大公司和著名的研究机构在EDLC 研究上取得了令人注目的成就后，开始了研究新体系电化学电容器的机理、尝试更广阔的应用领域。
1990年，Giner公司推出了贵金属氧化物为电极材料的所谓赝电容器或称准电容器(Pseudo-capacitor)。
为进一步提高电化学电容器的比能量，1995年，D．A．Evans等提出了把理想极化电极和法拉第反应电极结合起来构成混合电容器的概念(Electrochemical Hybrid Capacitor，EHC或称为Hybrid capacitor)。
锂离子电池超级电容器混合系统的能量管理
第50卷㊀第6期2020年㊀㊀12月电㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLYVol.50,No.6Dec.,2020作者简介:陈钰涵(1999-),男,湖北人,武汉理工大学国际教育学院本科生,研究方向:锂离子电池管理,新能源汽车;朱文超(1993-),男,湖北人,武汉理工大学汽车工程学院博士生,研究方向:余热回收技术,锂离子电池管理;杨㊀扬(1990-),女,湖北人,武汉理工大学汽车工程学院博士生,研究方向:锂离子电池管理,氢电混合储能;谢长君(1980-),男,湖北人,武汉理工大学自动化学院教授,博士生导师,研究方向:先进储能技术,新能源汽车控制技术,本文联系人㊂基金项目:国家自然科学基金(51977164),湖北省技术创新重大项目(2018AAA059)㊃科研论文㊃DOI:10.19535/j.1001-1579.2020.06.001锂离子电池/超级电容器混合系统的能量管理陈钰涵1,2,朱文超1,3,杨㊀扬1,3,谢长君1,3(1.武汉理工大学自动化学院,湖北武汉㊀430070;㊀ 2.武汉理工大学国际教育学院,湖北武汉㊀430070;㊀3.武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉㊀430070)摘要:为使锂离子电池与超级电容器合理地配合工作,提出基于逻辑门限的能量管理策略与改进的模糊控制的能量管理策略;再将两种管理策略复合,确定最终的能量管理策略㊂用Matlab /Simulink 对以上3种能量管理策略进行仿真分析,设计的能量管理策略可在系统能耗基本不变的基础上,发挥超级电容器的辅助作用,合理分配能量,降低电池损耗,延长电池的使用寿命㊂在城市道路循环(UDDS )和欧洲经济委员会(ECE )工况下,电池损耗相比于单一能源分别降低43.4%和46.3%㊂关键词:锂离子电池;㊀超级电容器;㊀混合动力;㊀能量管理策略;㊀模糊逻辑控制;㊀仿真分析中图分类号:TM912.9,TM533㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1579(2020)06-0511-05Energy management of Li-ion battery /supercapacitor hybrid systemCHEN Yu-han 1,2,ZHU Wen-chao 1,3,YANG Yang 1,3,XIE Chang-jun 1,3(1.School of Automation ,Wuhan University of Technology ,Wuhan ,Hubei 430070,China ;2.School of International Education ,Wuhan University of Technology ,Wuhan ,Hubei 430070,China ;3.School of Automotive Engineering ,Wuhan University of Technology ,Wuhan ,Hubei 430070,China )Abstract :In order to make the Li-ion battery operate with supercapacitor reasonably,an energy management strategy based on logicthreshold and an energy management strategy improved by fuzzy control were proposed.Two management strategies were combined todetermine the ultimate energy management strategy.The above three energy management strategies were simulation analyzed with Matlab /Simulink,the ultimate energy management strategy could effectively play the auxiliary role of supercapacitor,reasonablydistribute energy,reduce the battery energy consumption and prolong the battery service life on the basis of the immobile basicconstant energy consumption.Under Urban Dynamometer Driving Schedule(UDDS)and Economic Commission of Europe(ECE)conditions,the loss of battery was reduced by 43.4%and 46.3%compared to single energy,respectively.Key words :Li-ion battery;㊀supercapacitor;㊀hybrid power;㊀energy management strategy;㊀fuzzy logic control;㊀simulation analysis㊀㊀超级电容器与锂离子电池协同工作,可缓解锂离子电池作为单一动力源的电流峰值输出并降低损耗㊂为充分发挥两者优势,提供更好的性能,要制定有效的能量管理策略㊂确定性规则能量管理策略根据制定的规则,对复合能源进行能量分配,具有较好的控制效果,但未考虑动力源荷电状态(SOC)对能量分配的影响[1]㊂相比之下,模糊逻辑规则能量管理策略可表达一些难以精确描述的规则㊂基于这一特点,文献[2]综合扩展卡尔曼滤波算法与模糊决策算法,减小了电池SOC 估算的误差;文献[3]用模糊控制器控制输出功率,将锂离子电池在不同SOC 下的充放电电流控制在1C 以内,文献[4]运用模糊控制理论开发的能量分配方法,将超级电容器在城市道路循环(UDDS)工况下的使用时间延长了电㊀㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLY㊀第50卷26.5%,制动回收能量提高了5.5%㊂智能优化算法可对能量管理策略进一步优化,并将模型预测㊁人工智能等技术[5-6]引入能量管理中㊂显然,基于优化能量管理策略具有很好的控制效果,但运算量大,实用较困难㊂针对能量管理策略的可行性,为在较小运算量下达到一定的控制效果,本文作者结合逻辑门限与改进模糊控制的能量管理策略,制定基于复合控制的能量管理策略㊂1㊀混合动力系统模型搭建与参数匹配1.1㊀混合动力系统模型从结构及策略复杂度㊁电池保护能力等方面考虑,超级电容器并联双向直流电流(DC)/DC 半主动型拓扑结构的性能较均衡,可作为混合动力系统的拓扑结构,如图1所示㊂实验用SH40AHA 型磷酸铁锂正极锂离子电池(洛阳产)的图1㊀超级电容器并联双向DC /DC 的半主动型混合动力系统Fig.1㊀Semi-active hybrid power system with parallel bi-direc-tional direct current(DC)/DC of supercapacitor标称容量为40Ah,工作电压为2.0~3.6V,标准充放电电流为0.3C ,最大充放电电流分别为3.0C 充电30s 和4.0C 放电30s,工作温度为-25~55ħ,循环寿命为2000次[取80%的放电深度(DOD)]㊂实验用BMOD-0165-P048-B01超级电容器(美国产)的标称电容为165F,容差为20%,额定电压为48.6V,额定比功率为7900W/kg㊁工作温度为-40~65ħ㊂根据系统拓扑结构,可进行系统模型的整体搭建,混合动力系统仿真模型如图2所示㊂图2㊀基于Matlab /Simulink 的混合动力系统仿真模型㊀Fig.2㊀Simulation model of hybrid power system based on Matlab /Simulink1.2㊀混合动力系统参数选定1.2.1㊀汽车动力学模型为满足车辆动力性指标,需对峰值功率进行分析,计算最大需求功率P re max ㊂分别取3种行驶工况,其中,取整车的参数有:整车质量m =450kg,滚动阻力系数f =0.012,传动系统效率ηT =91%,旋转质量换算系数δ=1.03,空气阻力系数C D =0.36,迎风面积A =1.4m 2,空气密度ρ=1.2258kg /m 3㊂①最高行驶速度v max =25m /s 时的等速行驶工况峰值功率P 1需满足P re max ȡP 1=v max [(m g f +ρC D Av 2max /2)]/ηT =6.76ˑ103W =6.76kW(1)式(1)中:g 为重力加速度㊂②v a =0~16.67m /s 加速工况车辆7s 加速过程中,速度v a 随时间t 的变化关系有:v a =v end (t /t end )0.5(2)式(2)中:最终速度v end =16.67m /s;终了时间t end =7s㊂求导代入汽车功率平衡方程式中,得到加速过程结束时峰值功率P 2需满足:P re max ȡP 2=v end [m g f +ρC D Av end 2/2+δmv end /(2t end )]/ηT=1.264ˑ104W =12.64kW(3)③20%爬坡度等速爬坡工况取稳定行驶车速v i =13.89m /s,得到匀速稳定爬坡功率P 3需满足:P re max ȡP 3=v i (m g f cos αmax +ρC D Av 2i +m gsin αmax )/ηT =1.49ˑ104W =14.9kW(4)式(4)中:αmax 为道路坡度角,取值为arctan0.2㊂综上所述,可得最大需求功率P re max =14.9kW㊂1.2.2㊀锂离子电池参数选定先计算车辆以v 40=11.11m /s 匀速行驶所需功率P ᶄre :P ᶄre =11.11/ηT (m g f +ρC D A ˑ11.112/2)=1.11ˑ104W =11.1kW(5)锂离子电池组的电能量E bat 为:E bat =P ᶄre L /11.11ˑDOD =1.008ˑ107J =2.8kWh(6)式(6)中:L 为续航里程,取8ˑ104m;DOD 取80%㊂锂离子电池单体的容量Q bat 有:Q bat ȡE bat /U bus(7)式(7)中:U bus 为母线电压㊂计算得Q bat =40Ah,因此选择单体容量为40Ah 的电池满足条件㊂串联的锂离子电池数量N bat 与U bus 的关系为:215㊀第6期㊀陈钰涵,等:锂离子电池/超级电容器混合系统的能量管理N bat U normal =U bus(8)式(8)中:U normal 为电池平台电压㊂计算可得N bat =22㊂1.2.3㊀超级电容器参数选定超级电容器的充放电功率的最大值P cap max 应满足:P cap max ȡP re max -P bat max(9)式(9)中:P bat max 为电池的峰值功率㊂设定锂离子电池的工作电流范围为[0,2],则P bat max 需满足:P bat max ɤU bus I 2C(10)式(10)中:I 2C 为锂离子电池以2C 倍率放电的工作电流,为80A㊂计算可得,P bat max 应小于5.6kW㊂超级电容器输出功率P cap 的表达式为:P cap =U cap I cap(11)式(11)中,超级电容器的工作电流I cap 与电压U cap 的关系表达式为:I cap =C cap d U cap /d t(12)式(12)中:C cap 为超级电容器的电容量㊂超级电容器模组的功率由车辆的最大需求功率决定㊂设定车辆可在最大功率下工作t 1=25s,对式(9)-(12)联立并对两边进行积分,可得超级电容器最大需求电容量C cap max :C cap max =2(P re max -P bat max )t 1/U 2cap max(13)式(13)中:U cap max 为超级电容器串联模组的最大电压㊂由于超级电容器与双向DC /DC 串联,电压由双向DC /DC 的低压侧输入电压决定㊂选定双向DC /DC 低压侧电压输入范围25~50V,因此超级电容器模组电压为25~50V,即U cap max =50V㊂通过计算,得到C cap max 为229.9F㊂选择的超级电容器模组容量为165F,两个超级电容器模组并联可满足条件㊂2㊀混合动力系统能量管理策略2.1㊀基于逻辑门限的能量管理策略基于逻辑门限的能量管理策略,根据系统的需求功率和超级电容器的剩余电量来决定能量分配,控制思想见图3㊂图3㊀逻辑门限的能量管理策略Fig.3㊀Energy management strategy of logical threshold图3中:SOC cap 为超级电容器的荷电状态㊂设车辆续航里程60km,若持续在UDDS 工况下行驶,可循环5次,即行驶1.54h㊂若由锂离子电池提供全部能量,则电池电量经过1.54h 后耗尽,从而计算出P bat max ㊂P bat max =αE bat /T(14)式(14)中:E bat 为2.8kWh,预留系数α取1.1㊂计算可得,UDDS 工况下,P bat max =2kW㊂同理可得,在欧洲经济委员会(ECE)工况下,续航60km,循环120次,行驶6.5h,即P bat max =1.12kW㊂为使制定的能量管理策略能同时满足两种工况,P bat max =2kW㊂另外,选取超级电容器荷电状态的下限SOC cap -L =0.2,上限SOC cap -H =0.9㊂2.2㊀基于模糊控制的能量管理策略模糊控制器采用二入一出结构,即将需求功率P re ㊁超级电容器SOC 作为模糊控制器的输入,具体结构如图4所示㊂图4㊀模糊控制器结构Fig.4㊀Structure of fuzzy controller系统需求功率P re 受到实验台架的限制,峰值功率为6000W,即输入领域为[-6000,6000],经过尺度转换后的输入领域为[-1,1],SOC cap 的输入领域为[0,1]㊂为使车辆可在较激烈的工况下行驶,由超级电容器为锂离子电池提供缓冲能量㊂需要考虑到锂离子电池的输出功率大于系统需求功率的情况,在系统需求功率较小时,锂离子电池同时向系统与超级电容器充电㊂设计比例因子k 输出领域范围为[0,3],提供了锂离子电池为超级电容器充电的通道㊂分别使用各个不同的档位,描述P re ㊁SOC cap 和k 的不同大小状态,具体档位如表1所示㊂表1㊀输入输出变量的语言值Table 1㊀Language values of input and output variables变量语言值(档位)档数P re {NB㊁NM㊁NS㊁O1㊁O2㊁PS㊁PM㊁PB}8SOC cap{NH㊁NM㊁NL㊁PL㊁PM㊁PH}6k{NB㊁NM㊁NS㊁O㊁PS㊁PM㊁PB㊁PPB}8表1中,各档位分别表示各变量由小到大的不同状态,并采用三角形隶属度函数作为输入输出变量隶属度函数㊂随后,按照所需功率分配方式,确定输入档位与输出档位的对应关系,制定控制规则,具体如表2所示㊂表2㊀模糊控制器的控制规则Table 2㊀Control rules of fuzzy controllerP re SOC capNH NM NL PL PM PH NB NB NB NM NM NM NS NM NB NB NM NM NS O NS NB NB NM NS O PS O1NB NM NS O PS PM O2PPB PPB PB PM PS O PS PB PM PS PS O NS PM O NS NS NM NM NB PBNS NM NMNB NB NB2.3㊀基于复合控制的能量管理策略逻辑门限和改进型模糊控制策略能较好地进行能量分315电㊀㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLY㊀第50卷配,但效果取决于系统需求功率的正负㊂结合两者的优缺点,构造基于复合控制的能量管理新策略,发挥两者的优势,取得更好的控制效果,具体结构如图5所示㊂图5㊀复合控制器的结构Fig.5㊀Structure of composite controller㊂㊀㊀模糊控制器控制规则和输入输出变量隶属度函数分别如表3㊁图6所示㊂表3㊀改进后模糊控制器的控制规则Table 3㊀Control rules of improved fuzzy controllerP re SOC capNHNM NL PLPM PH NBPPB PBPM O O NS NM PB PM PS O O NSNS PB PM O O NS NM O PS O ONS NSNM PS O O NS NSNM NM PM NS NS NSNM NB NB PBNSNMNM NMNB NB 图6㊀改进后模糊控制器输入变量的隶属度函数Fig.6㊀Membership function of the improved system demand power,the remaining power of the supercapacitorand the scale factor of the Li-ion battery outputpower图7㊀UDDS 和ECE 工况下电池的输出功率P bat ㊀Fig.7㊀Output power of battery(P bat )under UDDS and ECEconditions图8㊀UDDS 和ECE 工况下的超级电容器输出功率P cap ㊀Fig.8㊀Output power of supercapacitor(P cap )under UDDS and ECE conditions415㊀第6期㊀陈钰涵,等:锂离子电池/超级电容器混合系统的能量管理3㊀能量管理策略仿真结果分析在基于Matlab /Simulink 的混合动力系统仿真模型中嵌入复合控制器,设置锂离子电池和超级电容器的初始SOC 分别为0.8和1㊂为了更好地比较两种不同能量管理策略的优劣,以瞬态的UDDS 工况和稳态的ECE 工况作为行驶工况㊂为方便对比仿真结果,工况的循环时间都设置为1400s㊂仿真结果如图7-9所示㊂图9㊀UDDS 和ECE 工况下的荷电状态(SOC)Fig.9㊀State of charge(SOC)under UDDS and ECE conditions从仿真结果可知:当P re >0时,复合控制策略对锂离子电池的输出控制作用均优于逻辑门限控制策略与模糊控制策略㊂在UDDS 和ECE 工况下,复合控制策略中锂离子电池的正向最大输出功率分别为3276W 和2414W,低于改进模糊控制策略中的3963W 和2596W㊂在逻辑门限中,虽然锂离子电池的输出功率可控制在2020W 以内,但在系统需求功率较低时表现不佳,且不能随系统需求功率灵活变化㊂总体来说,复合控制策略控制效果优于其他两种控制策略㊂当P re <0时,复合控制策略中电池反向充电功率明显低于逻辑门限与改进模糊控制策略,因此复合控制器在减小锂离子电池的放电功率的同时,能降低锂离子电池的充电频率㊂在进行制动能量回收时,优先给超级电容器充电,既能保证超级电容器处于高能状态,又可避免锂离子电池频繁充放电㊂由此说明,复合控制策略能够更好地分配功率输出㊂为了对控制效果进行定量分析,比较不同能量管理策略下电池的损耗与系统能耗的情况,结果见表4㊂表4㊀两种工况下电池损耗及系统能耗Table 4㊀Battery loss and system energy consumption under twooperating conditions能量管理策略电池损耗/%系统能耗/Wh UDDSECEUDDSECE单一能源 2.28ˑ10-2 1.44ˑ10-2348.12233.05逻辑门限 1.56ˑ10-2 1.13ˑ10-2356.45234.07改进模糊控制 1.52ˑ10-20.96ˑ10-2359.44236.16复合控制1.29ˑ10-20.78ˑ10-2354.41235.48从表4可知,在UDDS 工况中,复合控制策略的电池损耗比逻辑门限策略和改进模糊控制策略分别减少了17.1%和15.1%;系统能耗也有所降低㊂在ECE 工况中,复合控制策略的电池损耗比逻辑门限低41.9%,比改进模糊控制低19.2%;系统能耗比逻辑门限略有上升,比改进模糊控制略有下降,说明复合控制能量管理策略能够结合两者优势,在提升控制效果㊂与单一能源相比,虽然系统能耗略有提升,但复合控制的能量管理策略在两种工况下,电池损耗分别降低43.4%㊁46.3%,表明混合动力系统可延长电池寿命㊂4㊀总结本文作者对锂离子电池与超级电容器的混合动力系统展开研究,将逻辑门限的能量管理策略与模糊控制的能量管理策略相结合㊂仿真结果表明,基于复合控制的能量管理策略能够发挥两者各自的优势,取得更好的控制效果㊂在UDDS 和ECE 两种工况下,正向最大功率分别由改进模糊控制策略的3963W 和2596W 降低到3276W 和2414W,都能够实现超级电容器 削峰填谷 的作用,且电池损耗在两种工况下相比于单一能源也分别降低了43.4%㊁46.3%,效果好于逻辑门限和改进模糊控制策略,实现了设计期望的效果㊂此外,该能量管理策略简单易于实现,在车用动力源中具有较强的实用性㊂参考文献:[1]㊀JAAFAR A,AKLI C R,SARENI B,et al .Sizing and energy mana-gement of a hybrid locomotive based on flywheel and accumulators[J].IEEE Trans Vehicular Technol,2009,58(8):3947-3958.[2]㊀曹以龙,陈成成,江友华,等.基于EKF-模糊动态补偿的铅酸电池SOC 估计[J].电池,2019,49(6):511-514.[3]㊀姚堤照,谢长君,曾甜,等.基于多模糊控制的电电混合汽车能量管理策略[J].汽车工程,2019,41(6):615-624.[4]㊀尹炳琪,马彬,杨朝红,等.融合地形信息的车载复合电源控制方法研究[J].电源技术,2020,44(1):116-120.[5]㊀杨业,张幽彤,张彪,等.基于等效因子优化的插电式混合动力客车自适应能量管理策略[J].汽车工程,2020,42(3):292-298.[6]㊀吴进军,颜丙杰,方继根,等.插电式混合动力汽车的次优能量管理策略[J].中国机械工程,2019,30(11):1336-1342.收稿日期:2020-08-28515。
锂离子电容的缺点
锂离子电容的缺点锂离子电容作为一种电容器，虽然在很多方面具有优势，但也存在一些缺点。
本文将从容量衰减、寿命限制、安全性和成本等方面对锂离子电容的缺点进行探讨。
锂离子电容的容量衰减是其主要的缺点之一。
在使用过程中，锂离子电容的容量会随着时间的推移而逐渐下降。
这是由于锂离子电容内部的电解质溶液渗透和电极材料的损耗等因素造成的。
容量衰减会导致电容器的性能下降，降低了其可靠性和使用寿命。
锂离子电容的寿命受到限制。
锂离子电容的循环寿命通常较低，一般只能达到几千到几万次循环。
这与锂离子电池相比显得较低。
循环寿命的限制主要是由于电容器内部的材料和结构在长期循环使用过程中会发生损耗和变化，导致电容器性能的衰减。
锂离子电容的安全性也是需要关注的问题。
由于锂离子电容内部使用了锂离子导体和有机溶剂电解液，如果在充放电过程中存在异常情况，比如过充、过放、短路等，可能会引发电容器的过热、燃烧甚至爆炸。
因此，在设计和使用锂离子电容时，必须加入各种保护措施来确保其安全性。
锂离子电容的成本较高也是其一个显著的缺点。
与传统的电容器相比，锂离子电容器的制造成本较高。
这主要是由于锂离子电容器的内部材料和结构较为复杂，并且需要使用一些昂贵的材料，如锂盐、有机溶剂等。
因此，锂离子电容器在市场上的价格相对较高，限制了其在某些领域的应用。
锂离子电容虽然具有一些优点，如高能量密度、高功率密度和长循环寿命等，但也存在一些缺点。
容量衰减、寿命限制、安全性和成本等方面的问题需要在设计和应用中予以充分考虑。
随着技术的不断进步，相信这些缺点可以逐渐得到解决，锂离子电容的应用前景将更加广阔。
锂离子电容和超级电容
锂离子电容和超级电容一、介绍在电子设备和能源存储领域，电容器是一种常见的储能元件。
锂离子电容和超级电容是近年来发展起来的两种新型电容器，具有高能量密度、长寿命和高充放电效率等特点。
本文将从原理、结构、性能以及应用等方面对锂离子电容和超级电容进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、原理1. 锂离子电容原理锂离子电容是一种通过锂离子在正负极之间的插层化学反应来实现能量储存的电容器。
它的正极材料通常采用锂离子能插入/脱插的高容量材料，如锂铁磷酸盐(LFP)、锰酸锂(LiMn2O4)和钴酸锂(LiCoO2)等。
负极材料采用碳材料，如石墨、活性炭和碳纳米管等。
在充电过程中，锂离子从正极脱离，经过电解质在正负极之间移动，在负极插层化学反应，释放出电子和锂离子，同时正极释放出锂离子和电子。
在放电过程中，反应方向相反，锂离子从负极进行插层化学反应，形成锂金属和负极材料之间的锂离子插层化学反应。
2. 超级电容原理超级电容是一种通过电解质电离和电荷积累实现能量储存的电容器。
它的正负极之间没有化学反应，而是通过电双层和电荷分离来存储电能。
正负极都是碳材料，如活性炭、碳纳米管和氧化石墨等。
超级电容中的电解质通常是有机溶液或离子液体，主要起到传递离子和电荷的作用。
正极和负极之间形成了一个电荷分离层，其中正极吸附了电解质中的阴离子，负极吸附了电解质中的阳离子。
当施加电压时，离子在电解质中移动，电荷在正负极之间积累，实现能量储存。
1. 锂离子电容结构典型的锂离子电容由正极、负极和电解质组成。
正极是一种锂离子插层化学反应材料，负极是一种碳材料。
电解质通常是有机溶液或离子液体，具有高离子传导性和化学稳定性。
正极和负极之间通过电解质隔离，常见的隔膜材料有聚乙烯膜、聚丙烯膜和聚氟乙烯膜等。
隔膜具有良好的电解质离子选择性和电荷阻挡性，阻止正负极直接接触，同时允许离子传输。
2. 超级电容结构超级电容由两个电极和电解质组成。
电极通常采用碳材料，如活性炭或碳纳米管。
磷酸铁锂 并联 电容
磷酸铁锂并联电容
磷酸铁锂电池是一种常见的锂离子电池，具有高能量密度、长寿命和较高的安全性能。
在电动汽车、储能系统和移动设备等领域得到广泛应用。
而并联电容则是指将多个电容器连接在一起，以增加整体的电容量。
磷酸铁锂电池并联电容的组合，可以进一步提高电池组的性能和稳定性。
通过并联电容，可以有效地改善电池组的充放电速率，提高储能系统的功率输出能力。
这对于电动汽车来说尤为重要，可以提供更高的加速性能和持续驾驶里程。
在电动汽车中，磷酸铁锂电池并联电容的应用可以降低电池组的内阻，提高整体系统的效率。
当电池组需要释放大量能量时，电容器可以快速响应，提供额外的电流输出。
这不仅可以提高电动汽车的动力性能，还可以延长电池组的使用寿命。
磷酸铁锂电池并联电容还可以提高储能系统的安全性能。
通过并联电容，可以减少单个电容器的负荷，从而降低电容器的工作温度。
这有助于减少热失控的风险，提高系统的安全性。
总的来说，磷酸铁锂电池并联电容的应用可以提高电池组的整体性能和稳定性。
它可以提高储能系统的功率输出能力，并提供更好的动力性能和驾驶里程。
同时，它还可以降低系统的工作温度，提高安全性能。
这使得磷酸铁锂电池并联电容在电动汽车、储能系统和
移动设备等领域具有广阔的发展前景。
锂离子混合电容器
金属-有机骨架派生的折皱薄板装配的长方体多孔碳可作为超高能量密度锂离子混合电化学电容器（Li-HECS）的正极活性材料Abhik Banerjee,ab Kush Kumar Upadhyay,ab Dhanya Puthusseri,ab VanchiappanAravindan,*c Srinivasan Madhavi*cd and Satishchandra Ogale*ab 锂离子混合电容器（锂离子电化学电容器）成功的吸引了密切关注下一代先进储能技术的人们，这种技术可以同时满足高功率密度和高能量密度的要求。
在这里，我们将演示合成的较高的表面积三维碳长方体是如何用于金属 - 有机骨架（MOF）作为阴极材料与钛酸锂作为负极的高性能锂离子电化学电容器中的。
电池的能量密度是65 瓦时每千克，这明显高于市场上销售的可使用的活性碳（这种活性碳的能量密度只有36瓦时每千克），也高于对称的超级电容器基于相同的金属-有机骨架派生的碳（金属-有机骨架派生碳的能量密度是20瓦时每千克）。
这种正极是金属-有机骨架派生的碳材料，负极是钛酸锂的锂离子电容器在1000恒电流的高循环率条件下，保留了初始值的80%（25瓦时每千克）的优良循环性能。
这个结果清晰的表明：在锂离子电化学电容器配置领域中，金属-有机骨架派生出的碳材料将成为未来混合式电动汽车配置中最有前途的材料。
1.前言近年来，金属 - 有机骨架材料（即MOFs）凭借其独特的形式和性质在材料科学领域已成为最有前途的结构材料之一。
基本上，金属-有机骨架是金属和配位体的晶体组件。
其中，金属离子和配位体相互协调形成一个高度开放的三维框架。
简易的合成程序和其本身固有的多孔性使得金属-有机骨架成为了最有吸引力的候选材料，其用于各种领域包括催化，传感器，药物递送，气体吸附法，气体分离等等。
【1-6】事实上，金属-有机骨架材料合成了多种功能性强的无机材料和以碳为基础的材料的，其可用于不同的应用中，在这种情况下，金属-有机骨架材料也是一种有前途的先驱材料。
锂离子电容器静置条件对电池性能的影响研究
锂离子电容器静置条件对电池性能的影响研究2特种化学电源国家重点实验室，贵州遵义 563000摘要：本文通过研究锂离子电容器软包电池注液后不同静置时间和不同静置温度对其电化学性能的影响，对比了不同静置时间和不同静置温度的内阻和电化学测试。
结果表明，45℃静置24h，锂离子电容器软包电池的电化学性能最好。
1、引言锂离子电容器（LIC）是一种混合的电容器，它结合了锂离子电池阳极的嵌入机制和双电层电容器(EDLC)阴极的双层机制。
其较高的能量密度、无污染、无记忆效应、循环寿命长以及出色耐用性等优点，一直是风力发电系统、不间断电源系统、光伏发电、工业机械、混合动力汽车、航天航空、军用供电设备以及交通运输能量回收系统等领域系统。
因此，锂离子电容器的一系列研究已成为近年来电池界研究的热点[[1]]。
为了使锂离子电容器性能更好，除了制备材料的重要性之外，锂离子电容器注液后静置条件也非常的重要，静置的好坏直接影响锂离子电容器性能[2]。
例如，原蓓蓓[3]等人通过振动方式加速电解液分子在电芯内部的扩散过程，能有效缩短聚合物锂离子电池的陈化时间，消耗时间为常温静置的1/8 ~1/4；孙晓宾[4]等人在干燥惰性气体保护下，在温度为45-50℃的手套箱内，将电解液分三次注入锂离子电池软包中，每次注液后对软包锂离子电池依次进行挤压和负压循环静置，然后将封口后的软包锂离子电池在70-80℃下静置4-5h，并且上下翻转，从而加速软包锂离子电池电解液的吸收等等。
尽管目前有很多锂离子电池静置条件研究，但是关于锂离子电容器静置时间和静置温度研究鲜有报道。
因此，本文主要通过研究超级电容器软包电池注液后不同静置时间和不同静置温度对其电化学性能的影响，以得出软包电池静置的最优条件，从而可以合理的优化超级电容器电池的电化学性能，缩短制备工序时间。
2、实验2.1电池的制备所用正极材料为商品化钴酸锂（LCO，湖南长远锂科股份有限公司）、负极为硬碳（HC，上海科比斯实业有限公司）、碳纳米管（CNTS，天奈科技有限公司），导电炭黑（SP，天津艾维信化工科技），N-甲基吡咯烷酮（NMP，滨州裕能化工有限公司）、聚偏氟乙烯（PVDF、湖南航天天麓公司）、电解液（HR-9025B，山东海容电源材料有限公司）、隔膜（乐凯隔膜）、铜箔（博罗鹏晖达电子材料有限公司）、铝箔（上海伽星有限公司）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
金属-有机骨架派生的折皱薄板装配的长方体多孔碳可作为超高能量密度锂离子混合电化学电容器（Li-HECS）的正极活性材料Abhik Banerjee, ! Kush Kumar Upadhyay,1 Dhanya Puthusseri,11 Vanchiappan /\ravindan/ Srinivassn Madhavi* and Satishchandra Ogale*'11锂离子混合电容器（锂离子电化学电容器）成功的吸引了密切关注下一代先进储能技术的人们，这种技术可以同时满足高功率密度和高能量密度的要求。
在这里，我们将演示合成的较高的表面积三维碳长方体是如何用于金属-有机骨架Q10F）作为阴极材料与钛酸锂作为负极的高性能锂离子电化学电容器中的。
电池的能量密度是65瓦时每千克，这明显高于市场上销售的可使用的活性碳（这种活性碳的能量密度只有36瓦时每千克），也高于对称的超级电容器基于相同的金属-有机骨架派生的碳（金属-有机骨架派生碳的能量密度是20 瓦时每千克）。
这种正极是金属-有机骨架派生的碳材料，负极是钛酸锂的锂离子电容器在1000晅电流的高循环率条件下，保留了初始值的80% （25瓦时每千克）的优良循环性能。
这个结果清晰的表明：在锂离子电化学电容器配置领域中，金属-有机骨架派生出的碳材料将成为未来混合式电动汽车配置中最有前途的材料。
1.前言近年来，金属-有机骨架材料（即MOFs）凭借其独特的形式和性质在材料科学领域已成为最有前途的结构材料之一。
基本上，金属-有机骨架是金属和配位体的晶体组件。
其中，金属离子和配位体相互协调形成一个高度开放的三维框架。
简易的合成程序和其本身固有的多孔性使得金属-有机骨架成为了最有吸引力的候选材料，其用于各种领域包括催化，传感器，药物递送，气体吸附法，气体分离等等。
【1-6】事实上，金属-有机骨架材料合成了多种功能性强的无机材料和以碳为基础的材料的，其可用于不同的应用中，在这种情况下，金属-有机骨架材料也是一种有前途的先驱材料。
多孔性氧化铁，氧化锌，氧化铜和其他氧化物都是用纳米结构合成的金属-有机骨架材料，这种材料已被评估可用于不同的应用领域，如：水的净化，去除有机污染物，血糖检测，超级电容器，油的回收等等。
【7-9】一些氧化物也被检查出可作为有前途的锂离子电池的阳极（即LIB）。
[10-12]来源于金属-有机骨架材料和基于复合材料的金属-有机材料的高表面积碳材料已经被有效地用于二氧化碳的吸收和氢的吸附应用领域。
含有氮配位体的金属-有机骨架材料中的富氮碳已经被合成并且成功地用于电催化中的氧的还原反应。
【16】金属-有机骨架衍生的碳材料已被发现其电荷存储能力良好，尤其是在用于超级电容器，用于两种溶液（硫酸和氢氧化钾）和有机（离子溶液）电解质时。
Chaikittisilp等人［17］在不同温度下直接热解以锌为基础的沸石咪理酯骨架（即ZIF-8）来实现有1110平方米每克的高比表面积，还可在硫酸溶液介质中实现在每秒5亳伏扫描速率下有214法每克的电容值。
八kita和他的同事们【18】将金属-有机骨架材料-5 的三维信道作为聚合咲喃基醇的模板，其在氮气体流动下，用1000度的高温下热解八个小时之后产生了拥有2872平方米每克的高比表面积的纳多孔性碳。
Hu ［19］表示：233法每克的特定电容（在每秒2亳伏的扫描速率下）和312法每克（在每秒1亳伏的扫描速率下）可在1.0 （阳极）的硫酸溶液中获得。
Hu 成功地使用M0F-5作为模板合成了可负载酚醛树脂或乙二胺和四氯化碳多种形式的碳。
多孔性碳是通过热解模板而获得的，这种模板上有被激活的金属-有机骨架-5材料，并且这种材料是经过氢負化钾调节了其多孔性和比表面积。
接下来的两种途径有，负载有M0F-5材料的四氯化碳和乙二胺表现出了较高的比表面积（有2222平方米每克）。
这种材料在水溶液中荻得了271法每克的最大电容量（能量密度二9.4瓦时每千克），在有机溶液中（四乙基铁四氟硼酸盐）有156法每克的电容量（能量密度=31.2 瓦时每千克）o Yuan【20】等人如是说，还使用了以锌为基础的金属-有机配位聚合物作为模板和甘油作为碳前体合成蠕虫状介孔碳。
这种材料显示出了较高的比表面积（2587平方米每克）和较大的孔隙体积（3.14立方厘米每克）。
在氢氧化钾溶液中，他们获得了一个电流密度为5安培每克的电容量为344法每克的特定电容器。
对于超级电容器的大多数研究表明，电荷储存实验使用的金属-有机骨架材料派生的碳质材料已被用于对称配置，因此降低了能量密度的值（通常为9-30瓦时每千克）。
这些数值比大家所期望的零排放交通工具低很多，如：电动汽车（即EVs,最小值为150瓦时每千克）和插电式混合动力电动汽车（即P-HEVs, 其值为57-97瓦时每千克）。
［21］为了提高超级电容器的能量密度｛在不对功率密度有显著影响的情况下），海图斯等【22】人表明：在已知的电化学能量储存装置的平台下，首次推出两个综合性很好的概念，即锂离子电池和超级电容器。
一般情况下，这些所谓的锂离子混合电化学电容器（即Li-HECs）被制造为有高表面积的碳质材料和将锂嵌入材料作为反电极的材料。
（22-27］高表面积的碳和插入式电极分别提供了高输出功率能力和高能量密度的能力。
因此，在锂离子电化学电容器中可实现比锂离子电池更高的功率密度并且比超级电容器更高的能量密度的材料。
最近几个研究工作已经开展，实现了良好的可插入阳极类似于这种装置，尖晶石相钛酸锂已被发现有良好的电化学特性。
［28-37］对于锂离子电池，钛酸锂是一个已被确定的'‘零应变”的插入主机，锂离子电容器由于其显著的特征，在1.55伏每微妙下，存在着一个相对平坦的放电曲线。
比如说，三摩尔的锂有每小时每克175亳安的这么高的理论电容量。
锂对应于一库伦效率的两相反应机理＞99.9%,在锂嵌入或是锂抽出时，没有体积变化，亦无固体电解质界面层形成，相比于石墨阳极和.廉价环保的原材料o （34.38-41】然而不幸的是，迄今为止，对于为理想的锂离子电化学电容器特别设计的碳电极。
只有有限的资料记载可在文献中看到。
本文中，随着钛酸锂作为在有机介质中的反电极，我们提出了一份对金属-有机骨架材料衍生的高表面积的多孔性碳作为应用在锂离子电化学电容器的活性阴极材料的报告。
这份实验的本质表现在图表1中，为了比较，一个金属-有机骨架材料衍生的对称超级电容器被制造并在相同的有机介质中进行测试。
我们特别选择（进一步可在文本所讨论的理由）基于方案1,合成的M0F-5长方体碳在锂离子电化学电容器中的应用。
以锌为基础的金属-有机骨架材料（即M0F-5）作为前体，得到高表面积多孔碳（金属-有机衍生碳或MOF-DC）.早先的研究已经确定，以锌为基础的金属-有机骨架材料（即M0F-5）的受控热解过程中产生碳的一个有趣的形态。
【1&19】广泛的粉体和电-化学研究已进行上述配置和详细的描述。
2.实验部分以锌为基础的金属-有机骨架材料的合成用的是六水合硝酸锌（即（ZII（NO.,）2-GH3O））,苯-1,4-二浚酸（即BDC）和二甲基甲醜胺（即DMF）。
在这个典型的合成过程中，将10.4克的六水合硝酸锌和2克的苯-1,4 -二竣酸同时被溶解到140 亳升的二甲基甲酰胺中。
等到完全溶解后，将混合物转移到一个连接冷凝器的圆底烧瓶中，加热至120七下进行24小时。
待到冷却后，将初形成的以锌为基础的金属-有机骨架材料收集到烧瓶中，并用二甲基甲酰胺洗涤几次。
然后，在装有锌-金属-有机骨架材料的烧瓶中浸入无水氯仿两天并且以每天三次的速率更换氯仿。
最后，收集MOF-5晶体并在真空下加热到140X：,放置过夜。
由在氮气下用1000度热解上述M0F-5八个小时后获得了多孔碳。
升温速率为每分钟54度。
X-射线衍射（即XRD）进行测量其特性，使用装备有CuKa辐射的Bruker AXS D8 Advance 型X射线衍射仪。
从JY Horiba中使用的LabRam HR800具有632 nm的激发波长的拉曼光谱记录。
M0F-DC的形态特征采用场发射扫描电子显微镜（即FE-SEM with FEI Nova nano SEM 450）和透射电子显微镜（即TEM.FEI, Tecnai F30）进行分析。
使用Quadrasorb自动侧体积的仪器进行布鲁诺尔-埃米特-泰勒（即BET）比表面积分析。
这个标准的CR2016型纽扣电池的配置被用于所有的电化学研究中。
该复合电极的精密制作是称取10亳克活性物质（MOF-DC或钛酸锂），1.5亳克超级磷和1.5毫克聚四氟乙烘黑（即TAB-2）,还要使用乙醇。
该复合膜被压在了200平方亳米面积的不锈钢网（古徳费洛，英国）上，可作为一个电流收集器。
用金属锂作为反电极和参考电极的单极电极（半电池）的性能进行了评价，电解质溶液存在下，1M的LiPF6的碳酸乙烯酯（即EC）,二甲基碳酸酯（即DMCXSelectipure LP30, 默克公司，徳国）由微孔玻璃纤维隔板（Whatman公司，目录号1825-047,英国）隔开。
载有M0F-DC的锂离子电化学电容器的制作相对于市售的插入阳极钛酸锂（Sigma-Aldrich公司，美国）有适当的质量。
对于对称超电容器组件，每个复合电极制作用4亳克的MOF-DC, 1亳克的超级磷和聚四氟乙烘黑在山的LiPF6的EC-DMC电解液，通过在纽扣电池分离器中分离1亳克这样的装配。
在恒电流循环访问下，使用阿滨电池测试器测试环境温度和不同的电流密度才获得的。
3.结果与讨论对于高表面积多孔碳，MOF-5 （Zn40 （OOCC6H4COO） 3）被选择作为前体，因为它是有吸引力的一个金属-有机骨架材料，并且存在于一个空腔直径为1.8纳米的三维框架中。
【42】事实上，从获得所需的多孔碳的观点来看，这种材料中的锌元素起到非常重要的作用，这在下文中有讨论到。
在HOF 材料碳化过程中，在流动氮气的条件下，随着温度的升高』0F 主机(400-500:C) 的溶剂分子(50-20(TC )分解导致含有氧化锌的碳质材料有相对较低的温度(图SI, ESIt)o 当温度上升到高于800度时，发生了碳氮化热还原氣化锌和形成了随后的Zn 金属(ZnO + C-Zn + COT)。
锌是一种低沸点元素，它会被塞发从而形成上述907X ：的高表面积的多孔性 碳，这种碳具有优良的孔隙率。
锌基盐(如氯化锌)的高比表面积为内消旋微孔隙多孔碳的 合成过程提供了有益的影响(所谓的激活)。
这是非常确定的。
图la 中的M0F-5的X-射线衍射(XRD)图案表现出了相当强烈的反射。
所有观测到的(a)衍射图案；(C)拉曼光谱的MOF-DC,及(d)的MOF-DC 氮气吸附/解吸等温线，小图: 孔径分布。