超级电容器的发展与应用-杨院士-南通江海
超级电容器的主要应用领域..
超级电容器的主要应用领域超级电容器发展展望：超级电容器也叫做电化学电容器，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，比容量为传统电容器的20~200倍，比功率一般大于1000W/kg，循环寿命大于100000次，可储蓄的能量比传统电容要高得多，并且充电快速。
由于它们的使用寿命非常长，可被应用于终端产品的整个生命周期。
而且超级电容器对环境无污染，可以说，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量储蓄装置。
当高能量电池和燃料电池与超级电容器技术相结合时，可实现高比功率、高比能量特性和长的工作寿命。
近年来，由于超级电容器在新能源领域所表现出的朝阳产业趋势，许多发达国家都已经把超级电容器项目作为国家重点研究和开发项目，超级电容器的国内外市场正呈现出前所未有的蓬勃景象。
依照美国国家能源局的数据预测，超级电容器在全球市场的容量预计将从2007年的4亿美元发展到2013年的120亿美元（见下图1），其中，在电动汽车/新能源汽车领域的市场规模有望在2013年达到40亿美元,在消费电子领域的市场规模有望在2013年达到30亿美元,在工业(风力发电、轨道交通、重型机械等)领域的市场规模有望在2013年达到40亿美元。
根据中商情报预测，截至2014年，我国超容产业的增长率都在30%以上。
超级电容器的主要应用领域：1.超级电容器在太阳能能源系统中的应用太阳能源的利用最终归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。
太阳能发电分为光伏发电和光热发电，其中光伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。
光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前景尚都远远强于光热发电。
自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来，世界上就便开始了太阳能光伏发电的应用。
目前，太阳能光伏发电系统有三个发展方向：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。
在独立运行系统中，储能单元一般是必须有的，它能将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。
目前，国际光伏能源产业的需求开始由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已有补充能源向替代能源过渡。
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END
超级电容器的发展与应用-杨院士-南 通江海
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
超级电容器技术及应用
•活性炭
•活性炭
•－
•石墨类
•LIC
•••－－＋••＋＋••－•－•－＋•＋••••－••－－＋－－•＋ •－
•活性炭
•LIB
•－
•＋
•＋•－•＋
•－•＋•－
•＋
•－•＋ •－
•石墨类、金
属氧化物类
•含锂金属
氧化物
二、超级电容器特性简介
超级电容器技术
关键材料技术
石墨烯、碳纳米管等电极材料技术；
先进电解液技术…
～500C ◎
◎（3万次以上） ◎ ◎ ○
（10~60WH/Kg）
LIB
LiCoO2 / LiMnO4
石墨 有机溶剂
Li离子反应
-25~45℃ 3.7~4.2V
～50C △
△（1000~2000次） ◎ △ ◎
（~150WH/Kg）
二、超级电容器特性简介
•EDLC
•－•＋
•－ •＋
••••e•eee•••-••---＋－＋＋＋＋•••充放•＋•電電－＋•＋•＋••－－••＋•－－•••••••－＋－－－－－••••++++
●用作能量缓冲装置 可在负荷低落时储存电源的多余电 能，在负荷高峰时回馈给微电网以
调整功率需求；
●改善微电网的电能质量 对于瞬时停电、电压骤升、骤降等 暂态问题，利用超级电容器可提供 快速功率缓冲，吸收或补充电能， 提供有功功率支撑进行有功或无功 补偿，以稳定、平滑电网电压波动。
超级电容器储能系统作为主要储能设备之一，配合锂离子电池或铅酸电池储能系统接入 电网380V侧，利用超级电容器的快速响应和功率特性用于微电网的平滑切换和削峰填谷等。
轨道交通站间距短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观。 利用超级电容器优秀的大功率充放电特性，回收制动能量，能够节省 了约30％的能量。
超级电容器技术及应用
VS
聚合物电解质材料的制备方法包括溶 胶凝胶法、聚合物共混法等，其性能 与应用领域与制备方法和条件密切相 关。聚合物电解质材料的电导率较高， 但能量密度较低，循环寿命也有待提 高。
03
超级电容器的应用领域
电动汽车与混合动力汽车
电动汽车与混合动力汽车是超级电容 器的重要应用领域之一。超级电容器 可以提供高功率能量，用于加速和爬 坡等需求，同时还能回收制动能量， 提高能源利用效率。
ABCD
加强安全检测
在生产和使用过程中加强安全检测，及时发现并 处理安全隐患。
提高可靠性
通过提高超级电容器的可靠性和稳定性，降低因 元器件失效导致的安全事故。
06
案例分析：某电动汽车公司采用 超级电容器的实践经验
技术选型与方案设计
技术选型
该电动汽车公司根据自身需求，选择了具有 高能量密度、快速充放电、长寿命等优点的 超级电容器，以满足电动汽车的储能和动力 需求。
02
超级电容器的技术原理
双电层电容器技术
双电层电容器技术是超级电容器中的一种，其工作原理是利 用电极和电解质之间形成的双电层来存储电能。在充电过程 中，正电荷和负电荷分别在电极和电解质表面积累，形成双 电层，从而产生电场和电压。
双电层电容器具有高功率密度、快速充放电、长寿命等优点 ，因此在混合动力汽车、电动车、电网储能等领域有广泛应 用。
相比传统电池，超级电容器具有更高 的充放电速度和更长的循环寿命，能 够更好地满足电动汽车和混合动力汽 车的运行需求。
风力发电与太阳能发电系统
风力发电和太阳能发电系统中，超级电容器可以用于储存和释放能量，以稳定电力输出。在风力发电系统中，超级电容器可 以吸收多余的能量，并在电力需求高峰时释放，提高电力系统的稳定性。
超级电容器的原理及应用
超级电容器的原理及应用超级电容器，是一种能储存大量电能并且能够快速放电的电子元件。
它在电子领域中应用广泛，能够提供大电流，具有快速充放电特性，而且寿命长、体积小等优点。
本文将详细介绍超级电容器的原理及应用。
超级电容器的原理：超级电容器的工作原理其实很简单，在超级电容器中有两个电极，它们之间由电解质隔开。
当电容器充电时，正极电极会吸收电子，而负极电极则会失去电子，这样就形成了电压差。
当需要放电时，正负极电极之间的电子会快速流动，使得电容器迅速放出储存的电能。
1.电动车辆：超级电容器可以用于电动汽车及混合动力汽车的能量回收系统中。
在车辆减速或制动时，电动机会成为发电机，将动能转化为电能，并存储在超级电容器中。
当车辆需要加速时，超级电容器可以迅速释放储存的能量，提供给电动机，从而减轻电池的负担，延长电池的使用寿命。
2.工业设备：超级电容器也被广泛应用于工业设备中，特别是需要进行瞬时大电流输出的设备。
正常电池无法提供足够的电流以满足这些设备的需求，而超级电容器可以在短时间内提供高达几十安培的电流输出，能够满足工业设备的需要。
3.可穿戴设备：随着智能可穿戴设备的普及，对于电池的体积和重量要求越来越高。
超级电容器因为体积小，重量轻而被广泛应用于智能手表、智能眼镜等可穿戴设备中，能够为这些设备提供可靠的能量支持。
4.风能储能：超级电容器也可以用于风力发电系统的能量存储。
风能是一种不稳定的能源，风力发电系统在风大的时候会产生超出负荷的电能，而风小的时候又无法满足负荷需求。
超级电容器可以在风力充足时存储多余的能量，风力不足时释放储存的能量，平衡系统的供需关系。
超级电容器点燃储能新亮点 新能源领域市场规模呈现快速增长
超级电容器点燃储能新亮点新能源领域市场规模呈现快速增长目前，我国超级电容器在许多应用领域还处于成长和起步阶段。
随着应用开发的不断深入，我国超级电容器将成为化学电源领域新的亮点。
交通运输用超级电容器市场规模占比最大，预计2025年有望达到100亿元。
同时，工业用、新能源用超级电容器等领域市场规模也呈现快速增长。
2018年超级电容器被列入国家专项扶持重点项目，并且入选新兴产业重点产品。
工信部、发改委、科技部出台了一系列专项政策，明确对超级电容器以及新材料领域给予支持，这表明超级电容器产业迎来了很好的发展机遇，预示着未来的增长前景。
超级电容作为核心基础零部件，在加快经济发展，服务社会民生方面，发挥着越来越重要的作用。
不久前，在广西北海市召开的超级电容器技术及产业国际论坛暨产业年会上，中国工程院院士杨裕生指出，“储能器件种类很多，各有特色，要充分发挥超级电容器的优势，继续开拓其他储能器件难以竞争的应用领域。
提高电容器的比能量是我们超级电容界的梦想。
”2018年我国在高电压石墨烯电容器技术方面取得了一些可喜的突破，为进一步提高双电层电容器的体积能量密度，提供了有益的思路，值得产业化探索。
同时，许多企业正在中国超级电容产业联盟倡导的第四类超级电容器——电池型电容器的应用上下功夫。
工信部对超级电容这个新领域也非常重视，给予了大力支持，中国超级电容产业联盟正在积极制订相关标准，这些都是非常正确的发展方向。
新的亮点行业据工业和信息化部科技司巡视员毕开春介绍，近年来，随着我国加快实施制造强国和网络强国战略，深入推进制造业创新中心、智能制造、绿色制造等重大工程，新技术、新产业、新业态、新模式竞相涌现。
以高能量、低成本、节能环保为主要特点的超级电容器研发成功并走向市场，有力支撑新能源汽车、先进轨道交通装备等新兴产业的快速发展，引领传统产业优化升级、实现高质量发展。
与此同时，随着新技术的迭代创新，市场期望超级电容器拥有更大的电容量、更高的能量、更宽的工作范围以及更长的使用寿命，这也为超级电容器的产业发展迎来宝贵契机。
超级电容器的发展及应用
超级电容器的发展及应用作者：杨淳冰来源：《中国科技纵横》2020年第07期摘要：超级电容器因具有循环寿命长、容量大、污染小，可快速进行充/放电等优点，在电子、军事、新能源等高新技术领域得到广泛应用。
其性能主要由电极和电解质的性能水平决定。
鉴于此，本篇文章综合概述了超级电容器的发展历程，并浅析了超级电容器中的关键技术，即对电极材料和电解质的相关理论和应用进行探究，由此延伸出超级电容器在高新技术领域的具体应用。
关键词：超级电容器;性能水平;发展历程;具体应用中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）07-0093-021超级电容器的历史发展电容器最早出现是在18世纪中叶，莱顿瓶被公认为所有电容器的鼻祖。
1957年，美国人Becker获得了双电层电容器的专利，为超级电容器的发展奠定了基础。
20世纪60年代，超级电容器不断推陈出新，并于80年代逐渐走向市场。
1969年美国标准石油公司（SOHIO）首次实现了碳材料电化学电容器的商业化。
1979年日本NEC公司将超级电容器推向市场，引起人们广泛关注。
20世纪90年代，俄罗斯的Econd 公司和Elit公司又推出了適合于大容量、高功率场合的电化学电容器。
如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃，美国、日本、俄罗斯仍处于世界领先地位。
与国外相比，我国超级电容器的研究起步较晚，始于上世纪90年代末。
2008年之前，电极技术曾一度制约了我国超级电容器行业的发展。
但随着核心电极技术的突破，国内相关企业又从高分子科学角度出发，自主研发干法电极技术，为中国汽车行业的超级电容应用和干法电极电池的发展奠定了坚实基础。
在超级电容的电解液方面，我国很多厂家已经占据了主导地位。
有些公司正在研究将新型材料与特定的加工工艺相结合，来改善现有电解液的缺点，以进一步提升超级电容器的工作性能，拓展新的应用领域[1]。
超级电容器的原理及应用
超级电容器的原理及应用一、原理：超级电容器（Supercapacitor）又称为超级电容器或超级电容器电池，它是一种特殊的电容器，其存储能量量级为焦耳级别，远高于普通电容器的毫焦耳级别。
超级电容器具有快速充电和放电、长寿命、高循环稳定性等特点，适合于需要高能量密度和高功率密度的应用场合。
观察超级电容器的内部结构，其由两个锰氧化物电极板和一个电介质隔离层组成，锰氧化物电极板表面没有铝箔覆盖，其间以100nm的间距排列，从而即可达到高电容电极表面积的效果。
电介质隔离层由聚丙烯的多层膜组成。
在正极板和负极板之间的介质薄膜壁具有极高的介电常数，因此能够将电场强度扩展到导电性電解質中。
因此，超级电容器具有更高的比容量和能量密度。
二、应用：超级电容器可广泛应用于电子、汽车、医疗等领域。
以下是具体的应用：1. 电子产品：可广泛应用于移动物联网、消费电子等领域。
例如，可用于数码相机、MP3等数码产品，为其提供性能更加卓越的电源。
2. 汽车研发：超级电容器可以在汽车领域应用到停车制动能量回收系统、发动机启动、辅助动力系统等方面。
比如，在刹车时，能够以更为高效的方式回收能量，提高储能系统的效率，在加速时则能够减少电池的功率消耗，从而延长电池使用寿命。
同时，超级电容器还能在车辆制动、起动和交通噪声的减少方面发挥重要作用。
3. 医疗器械：在呼吸机、心脏起搏器等医疗领域中，超级电容器可以减小器械的尺寸同时增加器械的能量输出。
4. 其他领域：超级电容器还可广泛应用于军事领域、能源行业、新能源领域及航空航天等领域。
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②成都有机所
正极：活性炭电极 60-45% 加15-30% LiMn2O4 负极：Li4Ti5O12 4C恒电流下：14.47Wh/kg，5000次衰减<8%
Xuebo Hu et.al J PowerSources187(2009)635
8
活性炭 + 锂盐
钛 酸 锂
电池添加活性炭的变种
电池中的电极与活性炭电极并联 电池的电极中混入少部分活性炭 ——电容型电池
4
超级电容器及其变种
超级电容器
活 性 炭 隔 活 性 膜 炭
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
超级电容器的比能量低
5
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
（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
11
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
—正极NiOOH,负极活性炭
+
例1：正极PbO2,负极活性炭
advanced lead-acid batteries （美国？） — 活 性 炭
水溶液电解质
氧 化 镍
6
+
1、混合型超级电容器（续）
简称混合电容器
例3: 正极活性炭,负极Li4Ti5O12 有机溶液电解质
— 钛 酸 锂
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4: 正极活性炭,负极能嵌锂的碳(江海)
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
7
+
活 性 炭
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 ——活性炭仍为主 ①国外报道 A.D.Pasquier et.al J Power Sources136(2004)160 正极：活性炭电极 加少部分 LiCoO2 — 负极：Li4Ti5O12
14
小结：超级电容器与电池的变种
分类、名称 超级 超级电容器 电容 混合型超级电容器 器及 变种 混合型电池电容器 电池 添加 活性 炭的 变种 电池电极与活性炭 电极并联=超级电池 铅酸- 电池的电极 锂离子 中加入部分 活性炭—— 镍氢- 电容型电池 电极材料举例 负极 正极 活性炭 活性炭 活性炭 氧化铅、镍 钛酸锂；碳 活性炭 钛酸锂 活性炭+锂盐 活性炭电极 PbO2 并联铅电极 铅+活性炭 PbO2 石墨 锂盐+活性炭 AB5+活性炭 NiO 15
2
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。
电容器与电池的“外并”改“内并”
超级电容器中融合电池材料，比能量有所提高 电池中增加电容器功能，提高比功率和寿命
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
3
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。
2015.11.13 南通
超级电容器的技术发展 与应用
杨裕生
1
一、电池与超级电容器的融合
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。 •外并——电池与超级电容器并联使用 充电器 电容器 控制 器 充电器 电池
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
②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 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
9
1、超级电池——铅酸电池铅负极并联炭电极
—
+
PbO2
—
—
+
AC PbO2
Pb
铅酸电池
Pb
活 性 炭
+
PbO2
混合电容器
超级电池 UltraBattery
m & R.Louey J Power Sources 158(2006)1140
10
2、电池的电极中混入活性炭 ——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
13
2.3 电容型镍氢电池
镍氢电池的负极中加入活性炭 — +
氧 化 镍 储氢 合金 + AC
科技日报2010年9月报道 “镍碳超级电容器” 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——活性炭为辅
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。
— Pb
+
PbO2
—
+
PbO2
AC
铅酸电池 铅炭电池
—
+
PbO2
混合电容器
Pb
+
AC
较超级电池 工艺简单
12
2.2 电容型锂离子电池
锂离子电池正极中加入活性炭——活性炭为辅 ①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 ” 正极：LiFePO4 –加活性炭 ； 负极：碳 磷酸 铁锂 + AC 石 墨
二、超级电容器的技术发展动向
1、提高比能量
• 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
提高电极的比电容—
新型高比容量碳材料 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？
16
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、高性价比 7、对电解液具有良好的浸润性 8、析气少