超级电容电源及应用.ppt
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1、超级电容电源及应用,什么是超级电容?,超级电容是一种无源器件,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,同时也有电池的储能特性,并且重复使用寿命长,放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流,从而为设备提供电源。,作为电源使用的超级电容,即为超级电容电源,超级电容,储能原理,特性参数,性能比较,应用,应用电路设计,材料,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。,储能原理,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。寿命短、电压低 混
2、合电容器 电压、能量密度高,双电层电容原理,储能原理,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。,双电层原理示意图,储能原理,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。,双电层电容原理,双电层电极、溶液界面结构示意图Struture diagram of the interface between el
3、ectrode and electrolyte,(法拉弟)准电容原理,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,发生高度可逆的化学吸附,脱附或氧化,还原反应,产生和电极充电电位有关的电容。也称为赝电容。,储能原理,此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是原电池,如:(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。,储能原理,准电容原理,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
4、极面积的情况下,法拉第准(赝)电容可以是双电层电容量的10100倍。,储能原理,上述两种储能结构的电容器,也可从其使用的电极材料上进行划分:,(1)双电层电容器(EDLC)通常 以炭材料为电极。电容量与电极电位和比表面积的大小有关,因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料,从而增加电容量。例如,活性碳的表面积可达1000m2/g,电容量可达100F/g,且碳材料还具有成本低,技术成熟等优点,该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。,(2)赝电容 以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极,以氧化还原反应的机制存储电荷。与双电层电容器的静电容量相比,相同表面积下超电容器的容量要大 10100倍,因此可以制
5、成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高,主要用于军事领域。,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;,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。,但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,储能原理,特性参数,额定容量:单位:法拉(F),测试条件:规定的恒定电流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,即:由于等效串联电阻(ESR)比普通电容器大,因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略。,额定电压:可以使用的最高
6、安全端电压(如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V),除此之外还有承受浪涌电压电压(可以短时承受的端电压,通常为额定电压的105%),实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压(约为额定电压的1.5-3倍左右,与普通电容器的额定电压/击穿电压比值差不多。额定电流:5秒内放电到额定电压一半的电流,除此之外还有最大电流(脉冲峰值电流)最大存储能量:在额定电压是放电到零所释放的能量,以焦耳(J)或瓦时(Wh)为单位 能量密度:最大存储能量除以超级电容器的重量或体积(Wh/kg或Wh/l)功率密度:在匹配的负载下,超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率,用kW/kg或kW/l表示。,特性参数
7、,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,与铝电解电容器的温度寿命关系相似。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。循环寿命:20秒充电到额定电压,恒压充电10秒,10秒放电到额定电压的一半,间歇时间:10秒为一个循环。一般可达500000次。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。,特性参数,等效串联电阻:测试条件:规定的恒定电流(如1 000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A,200F以下的为3A)和规定的频率(D
8、C和大容量的100Hz或小容量的KHz)下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小,随温度上升而减小。超级电容器等效串联电阻较大的原因是:为充分增加电极面积,电极为多孔化活性炭,由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属,从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。工作与存储温度:通常为-40-60或70,存储温度还可以高一些。漏电流:一般为10A/F,返回,特性参数,性能比较,与普通电容比较,性 能 超级电容器 普通电容器 充电时间 0.3-若干秒 10-310-6秒 放电时间 0.3-若干秒 10-310-6秒 比能Wh/kg 1-20 10000 100000 比功率W/kg 1000 0.9
9、5,性能比较,与其他储能电源比较,材料,1、多孔电容炭材料超级电容器的核心,4、以减轻重量为中心的结构设计,2、准电容储能材料,3、高性能电解质溶液,返回主页,1、多孔电容炭材料,性能要求1、高比表面 1000m2/g 理论比电容 250 F/g 2、高中孔孔容 1240 400l/g,大于40的孔容 50l/g,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、良好的电解液浸润性,二、技术及电极材料的进展,材料,已研制的电容炭材料,活性炭(粉、纤维、布)应用最多的电极材料纳米碳管碳气凝胶活化玻态炭 纳米孔玻态炭,1、多孔电容炭材料,材料,1、多孔电容炭材料,石墨烯,活性
10、炭,优势:(1)成本较低;(2)比表面积高;(3)实用性强;(4)生产制备工艺成熟;(5)高比容量,最高达到500F/g,一般200F/g。性能影响因素:(1)炭化、活化条件,高温处理;(2)孔分布情况;(3)表面官能团(4)杂质。研究趋势:材料复合、降低成本,1、多孔电容炭材料,材料,石墨烯,材料,1、多孔电容炭材料,石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相同,是碳原子以sp2杂化轨道(sp2杂化(英语:sp2hybridization)是指一个原子同一电子层内由一个ns轨道和两个np轨道发生杂化的过程)。呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。,
11、材料,1、多孔电容炭材料,超薄平面石墨烯电容器,更能有效发挥石墨烯片层的双电层作用,新型设计,传统设计,层层堆叠阻碍石墨烯片层的双电层作用的发挥,石墨烯,2013初,莫纳什大学材料工程学教授李丹领导的研究团队研制出了一种能量密度为60kwh/升的新型超级电容,其能量密度可为目前的超级电容的12倍左右.,材料,1、多孔电容炭材料,石墨烯,对金属化合物的性能要求:1、高比表面 多孔,高比能量2、低电阻率 高比功率 3、化学稳定性 长寿命4、高纯度 减少自放电5、价格低 便于推广应用,二、技术及电极材料的进展,2、准电容储能材料,材料,2、准电容储能材料,a.贵金属 贵金属RuO2电容性能研究 使用
12、硫酸电解液;容量高,功率大,成本高。热分解氧化法380F/g 溶胶-凝胶法 768F/g,2、准电容储能材料,材料,添加W、Cr、Mo、V、Ti等的氧化物 降低成本 复合后性能高:WO3/RuO2比容量高达560F/g Ru1-yCryO2xH2O比容量高达840F/g 活性炭上沉积0.4mm无定形钌膜达到900F/g,2、准电容储能材料,材料,b、廉价金属取代贵金属 MnO2材料 溶胶-凝胶法制得MnO2水合物在KOH溶液中比容量为689F/g。NiO材料 溶胶-凝胶法制得多孔NiO比容量265F/g。北航做纳米Ni(OH)2容量500F/g以上。Ni(OH)2干凝胶容量900F/g。,2、
13、准电容储能材料,材料,2、准电容储能材料,材料,多孔V2O5水合物 比容量350 F/g(在KCl溶液)。Co2O3干凝胶 比容量291F/g(KOH溶液中)。-Mo2N 比容量203F/g。,研究情况:聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚亚胺酯 性能特点:可快速充放电、温度范围宽、不污染环境;稳定性、循环性问题。,c、导电聚合物,2、准电容储能材料,2、准电容储能材料,材料,3、高性能电解质溶液,性能要求:分解电压要高;电导率要高;电解液的浓度大;电解液的浸润性好;电解液纯度高;不与电极反应;使用温度范围要宽。,材料,3、高性能电解质溶液,电容器电解质:水溶液:酸性体系硫酸 碱
14、性体系氢氧化钾 有机电解液:Et4NBF4/PC(小型电容器,高温性能好)Et4NBF4/AN(大型,大功率、低温)LiAlCl4/SOCl2 季磷盐(R4P+):电导率高、电化学稳定性好,可以提高电容器的分解电压(达5.45.5 V)。固体电解质:LiCF3SO2 2N/PEO、RbAg4I5,3、高性能电解质溶液,材料,4、以减轻重量为中心的结构设计,材料,电极设计、封装设计、特殊用途设计:卷绕式 平板式(单体内并结构)双极性结构(单体内串结构)软包装的应用 模块化、独立功能化设计。,应用,玩具、手电筒、洁具、自行车尾灯、音响、助听器、礼花、充电器、DVD机、收音机、冰箱、空调、背投和液晶
15、电视、洗碗机、鱼漂、消毒柜、电子门锁、热水器、燃气灶、电饭煲、熨衣架、待机转嫁器、数码相框、机顶盒、微波炉、遥控器、汽车黑匣子,公用电器、工业及医疗电器:(用作小功率器件的电源)税控机、控制器(温度控制器)、触摸屏、摄像头、扫描仪、投影仪、考勤钟、计数器、显示屏、彩票机、银行终端、公汽读卡器、身份识别、复印机、打印机、X光机、磁共振、道钉机、电焊机、皮带机、激光器、矿灯、工业仪表、雷管、电动工具网络通讯:(中型模组、模块、工作时间不是很长的、瞬间工作的)电脑、电话、手机、信息终端、通讯站、GPS、电力数据传输风光发电:风力发电、变浆、接收转换、太阳能发电(储能)、太阳能灯(警示灯、标识灯、道钉
16、灯、地埋灯)、太阳能手电交通工具:摩托车启动、机车启动、电动汽车辅助动力、汽车启动、电动自行车辅助动力、汽车音响、车载监控,电动运输工具动力电源,动力电源:,后备电源:开关柜、直流屏、负荷调整电源、故障定位、变频器、脉冲电源、应急灯、救生绳、报警器、卷帘门、与电池配套电源、断电保护能量回收:吊车、矿井、机车、电梯、抽油机军工:战斗机、军车、坦克、雷达、精准炮弹、激光炮、电磁炮、警棍,应用,应用于智能三表(热量表、煤气表、智能水表)传统的智能水表,在控制水阀开启和关断时,普遍采用的方法是内装锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。锂电池使用到一定时间后,不得不更换电池。需要上门为用户更换电
17、池或水表,这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事。另外,电池电量不足的情况出现是随机的,如果不精确和及时的监测电池电量,将无法可靠的关断水阀,造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点,直接影响到它的推广和使用。用超级电容代替锂电池可以解决这个问题。超级电容是一种无源器件,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,同时也有电池的储能特性,并且重复使用寿命长,放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流,从而为设备提供电源。,超级电容器在智能水表中设计电路优点如下:a.将电池从水表中分离出来,从而可以不考虑电池寿命对水表的影响,
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- 超级 电容 电源 应用
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