储能器件超级电容器简介
什么是超级电容器？ 超级电容器是一种新型储能器件，其性能介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的高储能特性，具有重复使用寿命长，温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。 储能器件 比能量 Wh/kg 比功率 W/kg 物理电容器 <0.05 104~107 超级电容器 0.2~20.0 102~104 充电电池 20~200 <500 首先讲讲概述。超级电容器是一种功率型的储能器件，说它是功率型，是因为它比二次电池具有更好的功率特性，同时它的能量的储存能力较物理电容器大几十，甚至上百倍，从这张图中可以看出，超级电容器在能量密度和功率密度上很好地填补了二次电池和物理电容器的空缺。 功率型的储能器件 在能量密度和功率密度上很好地填补了充电电池和物理电容器的空缺
超级电容器与电池性能对比 性能 充电电池 超级电容器 放电时间 0.3~3hours 0.3~30seconds 充电时间 1~5hours 充放电效率 0.7~0.85 0.85~0.98 循环寿命 500~2000 >100,000 可用温度范围 -20～60 ℃ -40℃～70℃ 功率成本 /kW $75~150 $25~50 维护 需要 不需要
超级电容器的性能特点 充放电效率、 可充性、 温度范围、 环保性、 循环性、 安全性、 功率成本、 功率密度、 循环稳定性 超级电容器具有以下的优点：功率密度高；能瞬间大电流快速充放电；循环寿命长，能达上万次，甚至几十万次；工作温度范围宽，零下40至70度；安全、无污染。如果说超级电容器功率上的优势可能会面临着动力电池的挑战的话，那么它的寿命、工作温度、安全等方面的优势是电池无法比拟的。 温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20～60 ℃ 安全系数高，可长期免维护使用
超级电容器的结构 集电极 隔膜 电极材料 有机玻璃夹板 电解液
超级电容器用电解液 水系：硫酸，氢氧化钾，硫酸钠等，其特点为电压低，导电性好，极性溶剂 有机系：常见为锂盐LiClO4或季胺盐TEABF4作为电解质，聚碳酸酯PC或乙腈ACN为有机溶剂，其特点为电压较高，导电性中等，非极性溶剂 离子液体 ：咪唑类，吡咯烷类等离子液体，其特点为电压高，但导电性差
超级电容器的电极材料 双电层电容 过渡金属氧化物（RuO2、MnO2、NiO等） 氧化钌电化学性能优越，但价格昂贵； 活性炭 碳气凝胶 碳纤维 碳纳米管 石墨烯 比表面积大、孔径可调、导电性好，但是比电容偏低 双电层电容 过渡金属氧化物（RuO2、MnO2、NiO等） 氧化钌电化学性能优越，但价格昂贵； 其它氧化物存在导电性较差、结构不稳定。 导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物等） 电化学活性高，循环稳定性能差。 赝电容
超级电容器的分类 超级电容器 双电层型 赝电容型 混杂型 依靠电解液/电极界面的双电层储存电荷 基于电极材料与电解液之间的快速氧化还原反应 Potential (V) Current density (A/g) 超级电容器 双电层型 依靠电解液/电极界面的双电层储存电荷 根据工作原理 赝电容型 基于电极材料与电解液之间的快速氧化还原反应 混杂型 兼具双电层电容和赝电容
双电层型超级电容器的工作原理 - - d ≈1nm 利用电解液离子与电极表面静电吸引储能 + d C1 C2 双电层型超级电容器 物理电容器 电介质 - + d C 利用电解液离子与电极表面静电吸引储能
赝电容型超级电容器的工作原理 利用电极材料与电解液之间的氧化还原反应产生法拉第电荷储存电量。 由于这种氧化还原反应是变电位反应，不存在电压平台，具有电容特征，故称为赝电容反应，与恒电位的电池型氧化还原反应相区别。 根据反应发生的位置，赝电容反应可分为： 表面氧化还原反应，和体相氧化还原反应。
商用超级电容器
超级电容器的应用 应用领域 12
超级电容器的应用 电动汽车的动力电源 能量储放快，可回收刹车时得到的能量，使之再次用于车辆的加速启动和支持加速过程中。 能量储放快，可回收刹车时得到的能量，使之再次用于车辆的加速启动和支持加速过程中。 太阳能、风能发电系统蓄电装置 军事航天领域 可单独或与蓄电池一起构成电源系统，作为起动电源也可作为小型负载的驱动电源，用于坦克、飞机、火箭等作为起动电源；在人造卫星、宇宙飞船空间站电动车方面也有越来越多的应用 小型电器和消费类电子产品 工业领域的后备电源 作为应急保障系统的后备电源 作为电站直流操作电源、高压环网功率补偿电源