第二章动力电池与能量存储详解.ppt

2.3.1 超级电容器的分类 ⒉按电解质分类 按电解质可以分为水性电解质和有机电解质类型。 ⑴水性电解质。 包括以下几类： 酸性电解质，多采用36％的H2SO4 水溶液作为电解质。 碱性电解质，通常采用KOH、NaOH 等强碱作为电解质，水作为溶剂。 中性电解质，通常采用KCl、NaCl 等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。 ⑵有机电解质。 通常采用LiClO4 为典型代表的锂盐、TEABF4 作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL 等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。 2.3.2 超级电容器结构与工作原理 超级电容器是一种与电池和传统物理电容器都不同的新型储能器件。由于它本质上的原理还是电容原理，因此要使超级电容器的电容达到法拉级，甚至上万法拉，就必须使得极板的有效表面积尽可能的大，极板之间的距离尽可能的小。超级电容器性能的最核心影响因素是电极材料，常用的电极材料有如下几种： 活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。 碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料。 碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料 碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极 碳电极材料的表面积很大，电容的大小取决于表面积和电极的距离，这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离，使超级电容器的容值可以非常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般容值范围为15000F。 ⒉超级电容器原理 ⑴双电层电容器。 超级电容器是一种电容量可达数千法拉的电容量极大的电容,根据电容器的原理，电容量取决于电极间距离和电极表面积，为了得到如此大的电容量，超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加电极表面积。为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极，其原理是依靠固液界面的双电层达到存储电荷的目的 ⒉超级电容器原理 ⑵赝电容超级电容器。 赝电容是在电极表面或者体相的二维或准二维空间上, 电活性物资进行欠电位沉积, 发生高度可逆的化学吸附/ 脱附或氧化/ 还原反应, 产生与电极充电电位有关的电容。由于赝电容不仅发生在表面,而且可以深入内部, 因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。 贵金属氧化物电容器,是通过在氧化物电极表面以及体相中发生快速氧化还原反应而达到储存电荷的目的，因此，其电容也被称为赝电容或法拉第准电容。 在法拉第电荷传递过程中，一些金属（Pb、Bi、Cu）在Pt 或Au上发生单层欠电势沉积或多孔过渡族金属氧化物（如RuO2、IrO2）发生氧化还原反应时，其放电和充电过程有如下现象： 两电极电位与电极上施加或释放的电荷几乎呈线性关系； 2.3.4 超级电容器的特点和优势 超级电容器具有如下等特点。 ①电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。 ②妥善解决了贮存设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾，高功率密度，超级电容器的内阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数kW/kg，是任何一个化学电源所无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍 ③充电时间短，充放电循环寿命很长。超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，远快于蓄电池的充电时间。其循环寿命可达数万次以上，可达500000 次，或90000 小时。 ④可以提供很高的放电电流，如2700F 的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，。 ⑤可以在很宽的温度范围内正常工作。 ⑥可以任意并联使用以增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。 ⑦贮存寿命长。 ⑧高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少。 2.4 超高速飞轮 将能量存储于旋转的飞轮，即以机械能的形式存储能量是一种很古老的储能思想，它作为一种简单的机械储能元件，已被人类利用了数千年。从古代陶工的制坯机械、古老的纺车，到18世纪工业革命时期发明的蒸汽机以及后来的汽车发动机都用到了飞轮。但是这些大大小小的飞轮有的是以匀速为目的，有的是满足即时储能的需要，储存的能量少，时间短，所以还不能称为真正现代意义上的储能飞轮。真正以大容量，长时间储能为目的的现代飞轮储能系统出现于上世纪50年代，但是限于当时的技术条件，储能飞轮并未取得很大的进展。直到上世纪90年代主要由于以下几个方面技术的突破性进展，给飞轮储能技术带来了新的活力和契机: 高强度的各种复合材料的出现，比如碳素纤维