第七章-超级电容器储能技术
超级电容器
电极材料
电极材料是影响超级电容器性能的重要因素。 为了进一步提高超级电容器的容量和循环寿命，最主要的 是开发新的高比容量，高比功率的电极材料。 超级电容器的电极材料可以分为以下几类:炭电极材料， 金属氧化物电极材料，导电聚合物电极材料，复合电极材 料。
碳电极材料
目前已经开发用在双电层电容器上的碳材料有:活性炭 粉末、活性碳纤维、碳纳米管、膨胀性石墨、碳气凝胶、 炭黑和石墨烯等。 炭材料的性质中最为关键的几个影响因素为炭材料的表 面积和粒径分布，炭材料的电学稳定性，炭材料的导电 率。
在沿海岛屿、边远山区，地广人稀的草原牧场等地方， 风能和太阳能可作为解决生产和生活能源的一种可靠 途径。然而，这些能源还不能稳定地供给。将超级电 容器与风力发电装置或太阳能电池组成混合电源，超 级电容器在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能 量以电能的形式存储起来，在夜晚或风力较弱时放电， 可解决上述问题。
超级电容器还可用作汽车的主电源。
（4）工业领域
超级电容器在工业不间断电源(UPs)、安全预防 设备以及仪器仪表等方面得到广泛应用。
（5）消费电子领域
使用超级电容器做为储能元件的手电筒，充电只 需90秒，循环寿命可达50万次，可使用约135年。电 子玩具常要求瞬时大电流，而电池无法提供，使用超 级电容器作为电源不仅可以解决这个问题，还可以降 低使用成本、减轻质量。一种自动的切管工具用于替 代一种己经有十年历史的旧式手持切管设备。考虑实 际应用，要求能提供瞬间高功率及长寿命，并且要求 快速充电，一次充电能满足100次的切割工作，超级 电容器与电池混联后能使产品满足应用的需求。
超级电容器的研究及应用现状
美国、日本、韩国、俄罗斯、德国等国研究超级 电容器起步较早，技术相对比较成熟。
论超级电容器的原理及应用
论超级电容器的原理及应用摘要：超级电容器属于储能装置的一种晋级版，其凭借着自身使用寿命长、功率密度高、充电迅速、使用温度宽等优点而被广泛应用。
在本案，笔者就超级电容器的原理及应用为主要研究对象，探析了超级电容器的分类、原理、特点及应用。
关键字：超级电容器赝电容器原理特点及应用超级电容器的开展始于上个世纪70年代-80年代，其为一种介于传统电容器与电池间的新型储能器件。
相对于传统电容器，超级电容器具备电容量大〔为2000-6000倍同体积电解电容器〕、功率密度高〔为10-100倍电池〕、充放电电流量大、充放电循环次数高〔大于105次〕、充放电效率高、免维修等优点。
在本案，笔者以超级电容器为研究对象，探析其原理、应用领域及应用效果。
一、超级电容器分类就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。
就电能机理而言，超级电容器可划分为双电层电容器〔电容产活力理为以电解液及电极上的电荷别离为根底双电层电容〕、法拉第准电容(组成成分为贵金属氧化物及贵金属电极；电容产活力理为以电活性离子于贵金属电极外表欠电位沉积现象或于贵金属氧化物电极体相及外表因氧化复原反响为根据的吸附电容。
与双电层电容相比较，吸附电容完全不一样，此外，吸附电容的比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。
就超级电容器电极上的反响情况及构造而言，超级电容器可划分为非对称型及对称型。
对称型超级电容器即为两个电极反响一样、组成一样、反响方向相反，例如贵金属氧化物、碳电极双电层电容器等。
非对称型超级电容器即为两个电极反响不同、电极组成不同。
超级电容器最大可用电压取决于电解质分解电压。
电解质可为强碱或强酸等水溶液，亦可谓盐的质子惰性溶剂等有机溶液。
通过水溶液体系，便可获取高比功率及高容量的最大可用电压；通过有机溶液体系，便可获取高电压，从而获取高比能量。
二、超级电容器的原理就存储电能的机理而言，超级电容器可分为赝电容器及双电层电容器。
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。
超级电容的储能技术研究
超级电容的储能技术研究摘要：超级电容是一种新型的储能元件，近年来受到了广泛的关注。
对基于超级电容储能方式的城市轨道交通系统进行研究时首要解决的问题是超级电容阵列的容量和链接方式的设计。
本文主要对超级电容进行了原理的分析和优缺点的总结。
关键字：超级电容；主电路；系统容量1.超级电容1.1.工作原理超级电容器包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件，利用活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构获得超大电容值。
在电解液中同时插入两个多孔碳电极并在两端施加电压，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，在电场作用下电解质溶液中的正负离子聚集到与极板相对的界面上，从而形成双电层。
当向电极施加电压时，电极表面的静电荷吸引电解液中部分不规则分布的带异电荷离子，在电极电解液界面处排成一排，形成一个电荷量与电极表面剩余电荷量相等，符号相反的界面层，一层在电极上一层在电解液中形成双电层，两个电极分别形成一个界面，电容值为正负两个电极串联电容之和。
1.1.超级电容的优点超级电容器也并非没有缺点，从目前的产品情况来看，超级电容器主要存在以下的不足之处。
（1）功率密度高。
超级电容器的内阻小，同时，由于本身材质特点，可以实现电荷快速转移，输出功率高，一般可以达到蓄电池的数十倍；（2）使用寿命长。
具有至少几十万次的使用寿命，是蓄当今蓄电池使用寿命的几十倍乃至上百倍；（3）充电时间短。
超级电容器的双电层结构可以实现快速的电化学过程，并且可釆用大电流充电，一般几十秒至几分钟完成充电；（4）工作稳定范围广。
容量随温度的变化小，在的环境温度下正常工作；（5）效率高。
库伦效率可以达到以上；（6）绿色环保。
生产过程不使用重金属等有害化学物质，循环使用寿命长，属环境友好型产品。
1.1.超级电容的不足超级电容也存在一些不足之处：（1）采用线性放电。
超级电容线性放电的特性使它无法完全放电，放电工作过程中会有一定局限。
（2）低能量密度。
目前超级电容可储存的能量比化学电源少得多，对大容量能量需求场合不适用。
超级电容器技术简介
超级电容器技术的研究背景及发展现状1. 研究背景随着科技的进步及社会文明程度的提高，能源问题已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时，也是促进能源科技发展的巨大推动力。
进入二十一世纪之后，能源短缺和环境恶化的问题日益严重，这促使人们应更加重视建立确保经济可持续增长、有利于环境的能源供应体系，节能和扩大新能源开发利用成为世界性的趋势。
石油作为一种不可再生资源，随着人类需求的不断增长，已面临严重的短缺，并由此不断引发全球性的社会、经济、政治问题。
而且，全球燃油汽车消费量的不断增加，燃油汽车排放的NO x和CO x对全球环境带来严重污染，并导致地球温室效应。
开发更加清洁、环保的电动汽车被认为是解决能源问题和环保问题的一条有效途径，目前已成为全球性的研究热点。
电动汽车的研究经过多年的研发，特别是最近十年来的集中研究，已经对电动汽车有了比较统一的认识。
纯电动汽车（镍氢电池或锂离子电池作主电源）适合于短途应用，燃料电池电动车由于技术和成本因素在二十到三十年内不具备商业化应用的竞争力，而混合电动车（“油＋电”混合，）被认为是最接近商业化的技术模式。
“油＋电”混合电动车中的“电”主要是指二次电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。
目前，商品化的二次电池虽然具有较高的比能量，但比功率都很低，一般不超过500W/kg，而且电池在高脉冲电流放电或大电流充电时会影响其使用寿命，并引起电池内部发热、升温，存在安全隐患。
燃料电池同样是一种低比功率的储能元件，耐大电流充放电能力差。
单独使用电池作为动力电源无法满足电动汽车对电源系统的要求。
从能源的利用形态来看，电能作为能量利用的最终形态，已成为人类物质生产和社会发展不可缺少的“源动力”。
近年来，小型分立的可移动电源的发展更是增加了电能的利用形式和应用范围。
电能除了通过固有的电网系统应用于工业和家庭生活外，通过可移动电源（如铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池）等“承载体”更是成为随时随地均可便捷使用的动力源，极大方便了人们的物质文化生活。
超级电容器储能技术及其应用
超级电容器储能技术及其应用摘要：超级电容器是近年发展起来的一种新型储能元件，具有功率密度高、寿命长、无需维护及充放电迅速等特性。
叙述了超级电容器的分类、储能原理和性能特点，介绍了超级电容器目前的应用领域及应用中需要关注的问题。
超级电容器，也叫电化学电容器，是20世纪60年代发展起来的一种新型储能元件。
1957年，美国的Becker首先提出了可以将电容器用作储能元件，具有接近于电池的能量密度。
1962年，标准石油公司(SOHIO)生产了一种工作电压为6V、以碳材料作为电极的电容器。
稍后，该技术被转让给NEC电气公司，该公司从1979年开始生产超级电容器，1983年率先推向市场。
20世纪80年代以来，利用金属氧化物或氮化物作为电极活性物质的超级电容器，因其具有双电层电容所不具有的若干优点，现已引起广大科研工作者极大兴趣。
1超级电容器的储能原理超级电容器按储能原理可分为双电层电容器和法拉第准电容器。
1.1双电层电容器的基本原理双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。
当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。
这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，这种储能过程是可逆的。
1.2法拉第准电容器的基本原理继双电层电容器后，又发展了法拉第准电容，简称准电容。
该电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。
对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。
2超级电容器的特性超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件，其巨大的优越性表现为：①功率密度高。
超级电容器的内阻很小，而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。
超级电容技术原理简介
超级电容技术原理简介超级电容器(Supercapacitor ultraca-pacitor) 又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor),它不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊的储能元器件。
超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大电容量的。
众所周知,传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获得较大的容量,导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。
传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料通常要求尽可能的薄。
超级电容器在分离出的电荷中存储能量,用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集,其电容量越大。
超级电容器的极板面积是基于多孔炭材料,该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g,通过一些措施可实现更大的表面积。
超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。
该距离和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。
这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊入大的静电容量,故称其为“超级电容器”。
超级电容器拥有比传统电容器高出数千倍的电容值,目前常用的超级电容器的电容量是(0.1F～5000F),最高可达上万F(法拉)。
与利用化学反应的蓄电池不同,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,性能十分稳定。
它具有功率密度大、重量轻、体积小、充电时间短、安全系数高、使用寿命长、低温特性卓越、免维护、节约能源和绿色环保等诸多特点。
因而其用途极其广泛,发展前景非常看好,世界各国在此方面的重视程度和研发投入正在快速提高。
超级电容器的出现,填补了传统电容器和各类电池间的空白。
它最初在电力系统得到广泛的应用,此外用作起重装置的电力平衡电源,可提供超大电流的电力;用作车辆启动电源,启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高,可以全部或部分替代传统的蓄电池;用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车;用在军事上可保证坦克、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、又可作为激光武器的脉冲能源等。
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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电动车专项 纳米材料专项 特种功能材料技术主题，等
投入力度与国外相比还有很大差距
二、超级电容器概述
它是一种电化学元件，但在其储能的过程中并 不发生化学反应，这种储能过程是可逆的；
• 超级电容（supercapacitor），双电层电容(Electrical DouleLayer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，
• 即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相 反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。
• 其过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电 池电化学储能过程不同。
超级电容器的大容量和高功率充放电就是由 这2种原理产生的。充电时,依靠这2种原理储存 电荷,实现能量的积累;放电时,又依靠这2原理, 实现能量的释放。
因此,制备高性能的超级电容器有2个途径: 一是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电 容量;二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机 率,从而提高准电容容量。
• 功率密度（kW/kg）:也称为比功率，指单位质量 或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热 效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能 承受电流的能力
1、储能原理
化学电容储能机制可分为：
➢ 双电层电容--电极表面与电解液间双电层储能。 ➢ 准电容--电极表面快速的氧化-还原反应储能。
相应的两类电极—-—组成三种电容器
双电层电容器 正、负极——多孔炭 准电容器 正、负极——金属化合物、石墨、
导电聚合物。 度高
双电层电容原理
• 双电层电容原理是指由于正负离子在固体电 极与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。 这种储能原理允许大电流快速充放电,其容量 大小随所选电极材料的有效比表面积的增大 而增大。
• 充电时 ,在固体电极上电荷引力的作用下 , 电解液中阴阳离子分别聚集两个固体电极的 表面 ;放电时 ,阴阳离子离开固体电极的表 面 ,返回电解液本体。双电层的厚度取决于 电解液的浓度和离子大小。
1978年， 松下，Goldcap牌，最早产品； 1980年，NEC公司（超级电容器名称的由来） 80年代末，ELNA公司；等。
电容器的容量值0.01~几法拉
一、 超级电容器发展简介
❖ 20世纪80年代末 ，由于电动汽车发展的需
要，大尺寸超级电容器的研制成为热点。 俄、欧、美、日等国列入国家研究计划。
• 寿命：在25℃环境温度下的寿命通常在90 000小时，在 60℃的环境温度下为4 000小时，寿命随环境温度缩短 的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。 寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR 增大到额定值的1.5倍。
超级电容的性能指标
• 循环寿命： 超级电容器经历一次充电和放电， 称为一个循环，超级电容器的循环寿命长，可达 到10万次以上。
➢ 美国Surpercapacitor Symposium；从1991年 起，每年都举办一次国际性的超级电容器研讨会； 美国能源部制定了超级电容器的近期、中期、长期 的研究目标。
➢ 日本设立新电容器研究会； 将超级电容器研究列 入“新阳光”计划。
➢ 以Saft牵头，欧盟组织电动车超级电容器的研制。
一、 超级电容器发展简介
• 额定电压：可使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、 2.7V）
• 额定电流：5秒内放电到额定电压一半的电流
超级电容的性能指标
• 等效串联电阻：以规定的恒定电流和频率（DC和大容 量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。
• 漏电流：指超级电容器保持静态储能状态时，内部等效 并联阻抗导致的静态损耗，通常为加额定电压72h后测 得的电流，一般为10μA/F
实际上对一种电极材料而言,这2种储能机理往往 同时存在,只不过是以何者为主而已。
2.超级电容的性能指标
• 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 。
• （1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线 性关系; （2）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K, 则产生的电流为恒定或几乎恒定的容性充电电流 I=CdV/dt=CK。
•准电容的特点：
•准电容的充放电过程是动力学高度可逆的,与原电池及 蓄电池不同,但与静电电容类似。
•这 种 电 化 学 能 量 储 存 系 统 首 先 由 Conway 等 与 CraiyofContinental集团合作,于1975年开始并致力于这 方面的研究工作,研制出采用这种充放电原理的名为超 电容的电容器。
第六章 超级电容器
超级电容器是一种新型的储能原件，它的性能介于传统电容 器和电池之间，有很多优于传统电容器和电池的特点：
• 具有非常高的功率密度 • 充电速度快 • 使用寿命长 • 低温性能优越 • 漏电电流小 • 成本低廉，对环境无污染
一、 超级电容器发展简介
❖ 1954年第一份超级电容器的专利 ❖ 小尺寸超级电容器：
• • 超级电容器介于电容器和电池之间的储能器件，既具有电容器可
以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。
准电容原理（赝电容）
• 准电容原理则是利用在电极表面及其 附近发生在一定电位范围内快速可逆 法拉第反应来实现能量存储。这种法 拉第反应与二次电池的氧化还原反应 不同。
准电容原理
• 此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是 原电池,
•这种充放电行为,Ru的氧化物(RuO2)表现最显著,但其 最早的表现形式是H在Pt或Pb在Au上进行欠电位沉积, 产生高度可逆的化学吸附、脱附。
•为与双电层电容及电极与电解液界面形成的真正的静 电电容相区别,称这样得到的电容为法拉第准(赝)电容。
•法拉第准(赝)电容不仅只在电极表面,而且可在整个电 极内部产生,因而可获得比双电层电容更高的电容量和 能量密度。在相同电极面积的情况下,法拉第准(赝)电容 可以是双电层电容量的10～100倍。